Cтраница 1
Волновые двигатели имеют хорошие динамические характеристики. Время пуска микродвигателя с номинальной частотой / [ 50 Гц достигает 3 - 4 мс. Ротор имеет довольно малый момент инерции, вращается с низкой угловой скоростью, и быстродействие двигателя зависит в основном не от кинетической энергии вращения ротора, а от кинетической энергии перемещающихся в радиальном направлении масс деформирующегося ротора. Это значит, что время пуска определяется практически временем деформации ротора до зацепления венцов волновой передачи. При отключении, напряжения питания волна деформации исчезает так же быстро и ротор останавливается практически без выбега. В волновых двигателях при числе волн деформаций D 2 вращающиеся массы динамически уравновешены, что обеспечивает более низкий уровень вибрации, чем у двигателей с катящимся ротором. [1]
Новый волновой двигатель, Доклады АН СССР, Нов. [2]
В волновом двигателе гибкий ротор в силу особенности кинематической связи со статором ( зубчатое зацепление) не может вращаться со скоростью поля. Синхронно с полем перемещается вдоль расточки волна деформации гибкого ротора и происходит изменение проводимости рабочего зазора. Модуляция проводимости зазора обусловливает появление синхронного реактивного момента. Реактивный момент при врапХении поля стремится удержать ротор в таком положении, чтобы проводимость зазора на пути магнитного потока машины была максимальной. [3]
Электромашинная часть волнового двигателя создает вращающий момент и является электромагнитным генератором механических волн деформации для волновой передачи. [4]
Таким образом, реактивный волновой двигатель ( РВД) - двигатель без возбуждения и синхронный волновой двигатель ( СВД) - двигатель с возбуждением - являются электрическими машинами параметрического типа. [5]
По своим характеристикам рассмотренный волновой двигатель является синхронным реактивным двигателем. Действительно, ось деформации гибкого ротора вращается синхронно с осью магнитного поля и частота вращения вала двигателя постоянна и находится в фиксированном соотношении ( 9) с частотой вращения поля статора. Деформированный ротор при этом, как нетрудно заметить, занимает положение, при котором магнитное сопротивление магнитному потоку минимально. Поэтому при появлении рассогласования ( несовпадении) оси поля статора и оси деформации ротора 1 которое наступает, например, при нагружении двигателя внешним моментом сопротивления, ротор двигателя начинает развивать синхронизирующий момент, как у обычного синхронного реактивного двигателя. Этот: момент уравновешивает приложенный внешний момент нагрузки, и двигатель продолжает вращаться со скоростью Пр при наличии некоторого пространственного углового сдвига между осями ротора и поля статора. [6]
Отмеченное свойство выгодно отличает волновой двигатель от ДКР. Однако необходимость обеспечения эластичности ротора в сочетании с требуемой толщиной маг-нитопровода определяет существенные конструктивные и технологические трудности в реализации волновых двигателей с высокими энергетическими и весовыми показателями. [8]
Рассмотрим некоторые практические конструкции волновых двигателей. [9]
В зависимости от способа возбуждения волновые двигатели можно разделить на два типа: реактивные, у которых ротор намагничивается магнитным полем обмотки статора; с активным или возбужденным ротором с помощью обмотки постоянного тока, либо постоянным магнитом. В последнем случае обмотка постоянного тока выполняется в виде кольцеиой катушки, охватывающей ось вала и создающей униполярное аксиально-радиальное поле. Аналогичное поле создает также и постоянный магнит, выполняемый в виде полого цилиндра и намагничиваемый в аксиальном направлении. [10]
В отличие от ДКР ротор волнового двигателя сбалансирован, вследствие этого в машине отсутствуют вибрации. Однако необходимость иметь эластичный ротор вызывает значительные конструктивные и технологические трудности в реализации волновых электродвигателей с высокими энергетическими показателями. В данном случае число волн деформации U p и обмотка двухволнового двигателя должна быть четырехполюсной. Расчет момента волнового двигателя представляет собой довольно сложную задачу и в настоящей книге не рассматривается. [11]
В отличие от ДКР ротор волнового двигателя сбалансирован, вследствие этого в машине отсутствуют вибрации. Однако необходимость иметь эластичный ротор вызывает значительные конструктивные и технологические трудности в реализации волновых электродвигателей с высокими энергетическими показателями. В данном случае число волн деформации и р, и обмотка для получения двухволнового двигателя должна быть четырехполюсной. Расчет момента волнового двигателя представляет собой довольно сложную задачу и в настоящей книге не рассматривается. [12]
На рис. 42.5 изображена конструктивная схема синхронного волнового двигателя, состоящего из: шихтованного статора / с многофазной обмоткой, жесткого зубчатого колеса 2 волновой передачи, закрепленного по внутренней окружности статора, зубчатого венца 3 на поверхности гибкого магнито-провода ротора в виде тонкого пакета 4, навитого в несколько слоев из стальной ленты. Этот пакет с венцом зубьев закрепляется на тонкостенном стальном цилиндре с дном, насаженным на вал 5 двигателя. Ввиду гибкой конструкции ротор имеет возможность деформироваться в радиальном направлении под влиянием магнитных сил вращающегося поля в воздушном зазоре, создаваемого многофазной обмоткой статора. [13]
Отметим в заключение, что широкое применение волновых двигателей ограничивается сложностью конструкции и технологии изготовления эластичного ротора. [15]
Страницы: 1 2 3
www.ngpedia.ru
18.02.2017 Alex_54 пишет:
Роторно-волновой двигатель . Версия с картинками https://yadi.sk/i/1XSrcDgL3DLh7A
1. АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОЕКТА Современные тепловые, машины по расходу топлива, мало чем отличаются от тех машин, что выпускалось 100 лет назад. За многочисленными «глянцевыми» заявлениями о революционности той или иной идеи, скрываются, как правило, незначительные усовершенствования: двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и газовых турбин. Однако при этом, ДВС во всех случаях остается экономичнее турбины, что объясняется большим перепадом срабатываемых температур и давлений газа, которые и толкают рабочие поршня (роторы). Дизельный двигатель в мощностном диапазоне до 200 л.с. примерно в четыре-семь раз экономичнее газовой турбины аналогичной мощности, в диапазоне до 1000 л.с. примерно вдвое, а свыше, лишь на 20-50 %. Ахиллесовой пятой газовой турбины является отсутствие эффективного охлаждения расширительного отсека, где лопатки ротора турбины практически не охлаждаются. Да, используется и индивидуальный обдув лопаток щелевым потоком воздуха, и их уже начали делать из керамики, но эти полумеры не в состоянии обеспечить поднятие рабочей температуры в камере сгорания до уровней температур того же бензинового мотора, отсюда и низкая экономичность турбины, плюс наличие значительных потерь при перетекании сжимаемого в компрессорном отсеке газа между лопатками. Концепция роторно-волнового двигателя (РВД), это объединение необъединимого, соединение преимуществ большинства тепловых машин в новом формате – в трехмерной пространственной машине. Данный проект можно действительно назвать во всех смыслах революционным. Предлагаемый двигатель является синергией поршневого и газотурбинного двигателя. Как и в газовой турбине, газ в РВД перемещается между рабочими отсеками: от компрессора к ресиверу, далее в совмещенную или разделенную камеру сгорания с камерой расширения, используя режим непрерывного течения порций газа по каналам, при давлениях и температурах аналогично происходящих в камерах сгорания ДВС. Каждая порция газа, двигаясь в общем потоке, представляет из себя непрерывно изменяющийся в объеме, замкнутый капсулированный объем. Максимальная температура газа в РВД относительно газотурбинного двигателя поднимется на 700-1000 градусов выше, с учетом понижения показателя политропы с α = 3-5 – принимаемого для турбины, до показателе политропы α = 1.2-1.4 принимаемого для РВД. Соответственно, при равных площадях воздухозаборника, и равных оборотах, РВД перед ГТД обладает примерно трехкратным превосходством по предельному уровню форсирования. Это предполагает достижения в одной конструкции; неограниченной мощности, малых габаритов и веса (0.25-0.40 кг/кВт), высокой экономичности, неограниченного выбора топлива. Что мы имеем на сегодняшний день ...
Двигатель внутреннего сгорания, как тепловая машина, потребляющая ценное углеводородное топливо, до сих пор преодолевает рубеж в 200 г/кВт. Лишь в отдельных случаях, ценой сложных конструктивных ухищрений удается лишь ненамного улучшить этот показатель. Как правило, цена произведенных затрат несоизмерима с получаемым экономическим эффектом. На настоящий момент максимальный эффективный КПД крупных дизельных двигателей, работающих по циклу Тринклера, достигает 46-52%. Установки, работающие по другим тепловым циклам: Отто, Стирлинга, Ренкина, Брайтона и др.. имеют Эффективный КПД гораздо ниже; бинарные же циклы, как минимум, вдвое усложняют любую тепловую машину. Силовые механизмы тепловых машин, реализующие тот или иной термодинамический цикл, подразделяются в свою очередь на машины периодического или непрерывного действия. К машинам периодического действия относятся поршневые и роторные двигатели объемного типа. Полезная работа в них совершается только в период рабочего такта. Остальные такты— вспомогательные, они способствуют очистке и наполнению объемов двигателя рабочим телом. Интенсивное охлаждение камеры сгорания позволяет значительно поднять температуру и давление, а значит, и эффективность рабочего процесса тепловой машины. Однако, приходиться мириться с тем, что большая часть теплоты, выделенной в период рабочего такта, не реализуется, а отводится в систему охлаждения двигателя (15+35%) и уносится с отработанными газами (25+40%), имеющими еще достаточно высокую температуру и давление. Использование низкопотенциального тепла путем, например, продолженного расширения рабочего тела требует увеличения объема расширительной части тепловой машины втрое, что приведет к резкому усложнению и нецелесообразному увеличению весогабаритных показателей двигателей с одновременным уменьшением его суммарного механического КПД. Другой тип машин составляют двигатели непрерывного действия – газо-турбинные двигатели или установки (ГТУ), состоящие из газовой турбины, камеры сгорания и компрессора, расположенных на одном валу. Воздух в компрессор засасывается непрерывно, сжимается до 400+600 кПа и направляется в камеру сгорания. На пути движения воздуха посредством топливных форсунок в него непрерывно впрыскивается топливо. Образованная топливо-воздушная смесь поджигается. Сгоревшие газы, расширяясь, приводят во вращение турбину, и она, часть получаемой на валу мощности возвращает компрессору. Описанная установка компактна, имеет малую массу, не содержит деталей, совершающих возвратно-поступательное движение. В ГТУ можно сжигать любое жидкое или газообразное топливо. Несмотря на указанные преимущества, расчетный эффективный КПД установки при температуре газа перед турбиной в 750°С равен 21%. Столь низкий уровень эффективного КПД двигателя и невозможность создания силовой установки малой мощности (из-за больших протечек рабочего тела) позволяет сделать вывод о том, что на базе этого класса машин нельзя создать универсальный двигатель, в котором сочетались бы высокая удельная мощность, низкая стоимость и высокая экономичность. Для ГТУ очень остро стоит и проблема снижения собственного шума, который значительно превышает все допустимые нормы. Решение основных проблем затрудняется вследствие высокой, чувствительности газовой турбины к дросселированию газов на впуске и выпуске, при том что она потребляет на единицу мощности в несколько раз больше воздуха, чем поршневой двигатель внутреннего сгорания. Представленный краткий анализ не раскрывает всего существа проблемы, но уже сегодня можно утверждать, что оба различных направления в двигателестроении имеют свои наработанные базовые концепции. Методики, по которым разрабатываются все последующие модификации двигателей, содержат лишь незначительные улучшения того или иного показателя продукции, выпускаемой серийно. Конечно и газовые турбины и поршневые машины непрерывно совершенствуются. Так изготовление лопаток газовых турбин из керамических материалов позволило поднять температуру газов перед турбиной до 1450° и тем существенно увеличить ее эффективный КПД. Но в малоразмерных ГТУ это практически недостижимо. Составим таблицу, в которой отражены основные достижения и особенности лопаточных и поршневых машин, а также предлагаемого роторно-волнового двигателя (РВД), который должен удовлетворять все возрастающим требованиям ближайшего будущего. Таблица1 см. https://yadi.sk/i/1XSrcDgL3DLh7A
2. ИЗДЕЛИЕ ПРОЕКТА «РВД»
Техническим результатом проекта «РВД» является создание базовых моделей роторно-волнового двигателя мощностью 100 и 200 кВт, предназначенных для легких вертолетов, самолетов и дирижаблей. Наземное применение может быть представлено быстроходными катерами, экранопланами, мощными вездеходами, передвижными электростанциями, приводным оборудованием для нефтегазового комплекса, некоторыми видами военной боевой и инженерной техники.
Роторно-волновой двигатель - это объемная машина, воспроизводящая последовательность работы газотурбинного двигателя. В нем совершенно устранено возвратно-поступательное движение рабочих органов, ротор полностью уравновешен и вращается с постоянной угловой скоростью. Рабочее тело, как и в турбине, движется вдоль оси двигателя, траектория движения - винтовая линия. В конструкции отсутствует вредное пространство, ограничивающее рост степени сжатия рабочего тела. Из-за отсутствия уплотнительных элементов и, соответственно трения в проточной части, снимаются ограничения по ресурсу и числам оборотов двигателя. В основе кинематики РВД лежит сферический механизм, где оси его основных деталей пересекаются в одном месте - центре воображаемой сферы. Установленный с минимальным зазором конический винтовой ротор совмещает вращение с противоположным ему планетарным обкатыванием по внутренним огибающим корпуса. Накладывая два эти вида движения на любые сечения ротора (кроме центра - точки его перегиба), можно увидеть, что они совершают в определенной последовательности равные угловые колебания в пазах корпуса, образуя волны, которые последовательно перекатываются по ходу винтовых поверхностей корпуса. Аналогичный процесс можно видеть на море, наблюдая в ветреную погоду за перемещением волн в «стоячей воде». В компрессорном отсеке формирование и движение волн начинается от периферии по направлению к центру, а в расширительном отсеке - наоборот - от центра к периферии. С началом вращения, винтовые поверхности ротора начинают открывать внутренние полости винтовых каналов компрессорного отсека, засасывая и них воздух двумя потоками, смещенными относительно друг друга на 180 градусов. За один оборот ротора в оба канала компрессорного отсека засасываются и отсекаются от впускного тракта по две порции воздуха. При дальнейшем повороте, каждая порция воздуха начнет самостоятельно перемещаться к центру двигателя, непрерывно сокращаясь в объеме за счет уменьшения шага и амплитуды самого витка. Процесс сжатия будет продолжаться до тех пор, пока все уменьшающийся объем со сжатым воздухом не подойдет к камере сгорания. В этот момент процесс внутреннего сжатия воздуха в компрессорном отсеке закончится, наступает следующий этап - выталкивание сжатого воздуха в камеру сгорания тыльной стороной витка, ближе других находящегося к центру ротора. Этот процесс сопровождается непрерывным распыливанием топлива в воздушном потоке с последующим его сгоранием в общей камере, куда и выталкиваются все порции воздуха. Для первоначального поджигания топливовоздушной смеси в камере устанавливается запальная свеча. После запуска дальнейшее поджигание смеси должно поддерживаться газами, оставшимися от предыдущих циклов в общей камере сгорания. Последние, с высокой температурой и давлением покидая камеру сгорания, заполняют на роторе винтовые каналы расширительных отсеков, расположенных по другую сторону от центра ротора (точки, где шаг и амплитуда угловых колебаний равна нулю). С поворотом последнего происходит увеличение объемов расширительных отсеков за счет чего и осуществляется рабочий ход. На момент максимального расширения, кромки наружных витков ротора открываются и газы сначала свободно, а затем принудительно выдавливаются в выпускной коллектор. Интервал выпуска отработанных газов из очередной камеры расширения составит 180 градусов. Часть полученной в цикле мощности возвращается телом ротора в компрессорный отсек.
Рассмотренный тип двигателя, в основе которого лежит внутреннее винтовое зацепление ротора с корпусом, образует новое семейство прямоточных коловратных машин: в нем, с увеличением количества заходов ротора и корпуса, угловая скорость ротора и соответственно вала отбора мощности оборудованного ШРУСом будет падать, с одновременным ростом величины крутящего момента. Эта замечательная особенность кинематической схемы РВД позволит многозаходному ротору по совместительству выполнять еще и функцию понижающего редуктора. Ведь не секрет, что рост мощности двигателя всегда идет по пути увеличения рабочих оборотов (ему больше некуда идти), а потребители энергии, будь то винт судна, или автомобильное колесо, остаются практически неизменными. Приходится ставить дополнительные редукторы для снижения оборотов. А здесь, двигатель сам себе и редуктор. Функция редуктора в многозаходных конструкциях (Рис.2) возложена на механизм синхронизации, состоящий из неподвижного венца с внутренним зацеплением (1) и меньшей по диаметру планетарной шестерни с внешним зацеплением (2) жестко соединенной с ротором. Количество зубьев венца к шестерне всегда должно соответствовать выбранной пропорции корпуса к ротору. Иначе нельзя, только этим достигается синхронизация и требуемое трохоидное движение ротора. Каждому новому обкатыванию шестерни ротора будет соответствовать ее поворот на фиксированный вместе с ротором угол. Для двухзаходного ротора, работающего в паре с трехзаходным корпусом, на одно обкатывание шестерни приходится поворот ротора в корпусе на 50 %, в трехзаходном варианте ротора - на 33 %, в четырехзаходном - на 25 % и т.д. Если изначально однозаходный ротор, работающий в паре с двухзаходным корпусом эквивалентен восьмицилиндровому поршневому ДВС, то уже двухзаходный ротор в паре с трехзаходным корпусом эквивалентны 24-х цилиндровому ДВС. Дальше - больше. трехзаходный ротор соответствует 48 цилиндровому поршневому ДВС, четырехзаходный - 80 цилиндровому ДВС и т.д. Для последнего примера, у которого будет несколько меньший механический КПД (94 -95 %), расчетный крутящий момент на выходном валу увеличится от 16 до 21 раза в сравнении с поршневым аналогом, и это при равных с ним оборотах и литраже двигателя. Здесь ротор, производя полный оборот, вынужден при этом совершать четыре полных обкатывания по внутренним огибающим корпуса . Соответственно, при 2500 об/мин ротора, каждый из пяти винтовых каналов корпуса должен всосать по 10000 объемов воздуха, что в сумме составит 50000 объемов в минуту. Для сравнения, у аналогичного одноцилиндрового четырехтактного ДВС при равных оборотах, количество тактов всасывания наполнит 625 рабочих объемов двигателя (каждый четвертый такт - всасывание). Вот откуда она, восьмидесятикратная разница. Учитывая низкий коэффициент наполнения безнаддувного поршневого двигателя, равный 85% против 100-105% в РВД, фактическая разница увеличится до 94. Мы не учли еще разницу в механическом КПД поршневого ДВС и РВД соответственно 85% против 94%. Соотнесем ее на протечки рабочего тела через «неплотности» ротора. Осталось упомянуть и о предельно допустимых оборотах РВД, сравнив их с серийными двигателями. Современный поршневой ДВС применяет 4500 - 6000 об/мин; аналогичная по мощности газовая турбина свободно раскручивается до 50000 - 70000 об/мин; РВД должен занять промежуточное положение - его удел от 2500 до 30000 об/мин (все зависит от количества заходов ротора). В рабочих отсеках РВД одновременно может сжиматься и расширяться от нескольких единиц до несколько десятков объемов воздуха. А то место, где ротор, едва не касаясь своей поверхностью, приближается на минимальное расстояние к корпусу, как раз и является подвижной разделительной линией между последовательно движущимися камерами (на Рис.1 сечения 1-1 и 1Х-1Х). За каждый оборот ротора степень сжатия (расширения) изменяется в 4-5 раз. Теоретическая же степень сжатия (расширения) в одном агрегате может достигать ста единиц (все зависит от количества витков), и это при полном отказе от уплотнительных элементов, роль которых выполняет тело ротора. Ротор, освобождаясь от механического трения «завинчивает» порции воздуха в камеру сгорания нигде не касаясь стенок корпуса, поэтому так же отпадает необходимость в смазке рабочих отсеков двигателя. Трение остается лишь в подшипниках качения, на которые опирается ротор за пределами горячих зон и в ШРУСе. Последний же конструктивно очень просто позволяет передавать весь поток мощности от ротора выходному валу фактически без потерь. Достаточно вспомнить, что механический КПД широко используемых в технике ШРУСов очень высок и колеблется при малых углах качания от 99 до 99,5 %. Кроме этого, шарнирное соединение автоматически точно центрирует ротор в любом его положении, а сам шарнир, расположенный в центре двигателя, надежно защищен от теплового воздействия камеры сгорания необходимой толщиной сферического теплового экрана. Как видим, в РВД ничто не препятствует применению очень высоких оборотов: ротор вращается с постоянной угловой скоростью, он прекрасно уравновешивается, вместо клапанов, или даже окон, в конструкции используются каналы неограниченной пропускной способности для непрерывного поступления воздуха в рабочие отсеки двигателя. Отсутствие трения также снимает ограничения по износу деталей и ресурсу двигателя в целом. В двигателе будут изнашиваться только подшипники, а для них ресурс в 30 - 40 тыс. рабочих часов не предел. Заметим кстати, что хороший автомобильный двигатель в наше время имеет моторесурс 5000- 7000 часов до первого ремонта. Автомобильные РВД, при неограниченной мощности окажутся долговечнее, чем рама автомобиля (самое долговечное, что есть в нем). Рабочий процесс для камеры постоянного горения, позволяет, не останавливая двигатель, подавать в него любой вид жидкого, газообразного или даже твердого распыленного топлива. полностью стирая грани между турбинами, дизельными и карбюраторными двигателями. В кинематических звеньях механизмов поршневых и роторных ДВС присутствуют так называемые «мертвые точки», для их преодоления за двигателем устанавливается значительный по массе маховик. В РВД же газовые силы, действующие на ротор, постоянны и непрерывны, что делает совершенно ненужной установку маховика, а в некоторых случаях и противовесов, применяемых для полного уравновешивания двигателя. В заключение приведем еще несколько цифр. Расчетный индикаторный КПД простого цикла РВД в адиабатном исполнении и весьма умеренной степени сжатия равной 15 со степенью расширения 36 составит 51 %. Соответственно расход топлива в этом случае может составить 171 г/кВт, при удельном весе силовой установки 0,15 - 0,25 кг/кВт. Для сравнения - в дизельном двигателе, использующим такую степень сжатия, расход топлива составляет 224 г/кВт при удельном весе 3,5 - 15 кг/кВт. За счет дальнейшего увеличения степени сжатия в РВД и использования в нем системы регенерации отработанных газов (для возврата теряемой с отработанными газами теплоты), индикаторный КПД теплового цикла можно еще значительно увеличить. В случае, там, где требуется получить максимальный расход воздуха и сопоставимый с газовыми турбинами диапазон мощностей, например, в авиационной промышленности, или на судовых установках - выгоднее использовать схемы с многозаходными винтами, ограниченными по росту степени сжатия, но допускающими максимальную производительность газовоздушного тракта. Если главным фактором выступает экономичность, перспективней использовать двух - трехзаходные схемы роторов, как наиболее простые и допускающие наибольшую степень сжатия и расширения рабочего тела. Сравнивая газовую турбину и роторно-волновой двигатель при равных расходах прокачиваемого воздуха через силовой агрегат, необходимо заметить, что коэффициент использования воздуха в объемных машинах, к которому принадлежит и класс РВД, примерно в три-пять раз выше, чем в газовых турбинах, отсюда и «неограниченный» рост мощности при значительно меньших расходах топлива на 1 кВт/час.
3. РЫНОК СБЫТА И КОНКУРЕНЦИЯ
Нет сомнений в том, что реализация проекта «РВД» поднимет интерес российских и зарубежных участников рынка к созданному изделию, т.к. в мире двигатели, обладающие совокупностью характеристик РВД, еще не выпускаются. Расчетные характеристики приведены в таблице 2. Номинальная мощность 100 кВт 200 кВт 400 кВт 800 кВт Масса кг 30-45 60-85 120-170 220-320 Удельный расход топлива г/кВт * час 200 190 180 175 Габариты D см ; L см 30 ; 60 40 ; 70 45 ; 100 60 ; 130 Номинальные обороты в мин 12000 6000 5000 5000 Срок службы час 60000 60000 75000 150000 Горючее: ------ газ,бензин,керосин,дизель -------- -------
По данным ЦАГИ средняя цена 1л.с. авиационного поршневого двигателя мощностного ряда 300-700л.с. составляет 170$/л.с., а ГТД – 700$/л.с. Учитывая простоту конструкции, малое количество деталей, возможность применения штампов при изготовлении основных деталей, стоимость серийного двигателя оценивается в половину стоимости автомобильного. По предварительным оценкам удельная стоимость производства РВД составит 70$ на кВт мощности. Т.е., себестоимость двигателя мощностью 200 кВт составит 14000 $. Сейчас по такой цене продается двигатель ЯМЗ мощностью 140 кВт. Кроме того РВД в разы легче и имеет значительно больший срок службы. Таким образом РВД, как преобразователь тепловой энергии топлива в механическую работу находится вне конкуренции и при доведении образца до расчетных характеристик будет иметь неограниченные спрос.
В настоящий момент по проекту двигателя имеется достаточный научно-технический задел, позволяющий ускорить процесс проектирования изделия. Однако этап НИОКР под конкретное техническое задание (ТЗ) не выполнялся. Соответственно план-график должен включать сокращенный период НИОКР. На этой стадии производятся расчетно-графические работы по выбранной размерности двигателя, проводится оптимизация рабочего процесса, прочностные расчеты деталей и узлов с учетом требований ТЗ на изделие. Параллельно осуществляются закупки комплектующих изделий. На этапе НИОКР они будут использованы для получения всех необходимых размеров и данных о допусках и посадках, а также для перевода готовых деталей и узлов в электронные чертежи и чертежи общих видов. Период закупок КИ по некоторым позициям может составить до 2-х месяцев, если поставщику потребуется осуществить поставку с нуля (позиции отсутствуют на складе). В связи с изложенным, решение о выполнении закупок КИ необходимо принять сразу после утверждения ТЗ и начале финансирования проекта. С учетом этих обстоятельств расчетная продолжительность проекта «РВД» до перехода к созданию предсерийных образцов укладывается в 28 месяцев. Проектирование деталей и узлов двигателей изначально должно вестись только в электронной среде программ проектирования «Solid Works» и «AutoCad». Накопление библиотеки деталей, узлов и сборок, относящихся к проекту двигателя, позволят сделать малозатратными процессы доработок, модернизации и создания новых модификаций моторов в будущем. Упреждающий характер должна носить подготовка к заводским испытаниям образцов двигателей. Наилучший и относительно дешевый вариант – договоренность с организацией, располагающей современным моторным стендом. В этом случае сразу будет получено официальное заключение о работоспособности двигателя и его фактических характеристиках. Проект «РВД» по своему содержанию имеет два главных рубежа: - создание демонстрационного образца двигателя, - создание предсерийных образцов двигателей, пригодных для ресурсных испытаний. После подведения итогов выполнения проекта «РВД» и признания необходимости продолжения деятельности на этом направлении принимаются решения: - об использовании предсерийных образцов в авиации или на земле, - о разработке Бизнес-плана организации серийной производства двигателей, - об изыскании источников финансирования для серийного производства, - о мероприятиях по продвижению изделия на рынке, - о запуске условий и системы оформления предварительных заказов.
4. ОЦЕНКА РИСКОВ 4.1. Технические риски: Ошибка технической идеи. Вероятность риска минимизирована накопленным опытом разработки, эксплуатации обратимых спиральных и винтовых насосов с 1905 г. и роторно-волновых насосов с 1931 г. Новизна роторно-волнового двигателя как термомеханического преобразователя подтверждена экспертизой РОСПАТЕНТА по существу и фактом выдачи патента Российской Федерации. (пат. № 2155272) 4.2. Нереализуемость идеи в металле. Именно из-за сложности форм рабочих поверхностей не были реализованы данные двигатели в качестве серийных тепловых машин. В настоящее время, в связи с развитием цифровых технологий в обработке металлов, 3d-принтеров, основные проблемы изготовления, а затем и серийного производства решены. Вероятность риска минимизирована идентичностью технологии изготовления деталей. 4.3 Коммерческие риски: 4.3.1. Ошибочная стратегия выхода на рынок. Вероятность риска не высока, т.к. серийные российские заводы характеризует высокая степень консерватизма в восприятии сторонних идей, не апробированных за рубежом. В настоящее время только некоторые частные компании способны реально брать на себя риски и воплощать в жизнь совершенно новые, прогрессивные идеи. При выпуске на рынок серии РВД с характеристиками, подобными приведенным выше (см. Табл.2), ничего никому доказывать будет не нужно. Двигатели будут абсолютно вне конкуренции и иметь неограниченный спрос. 4.3.2. Ненадежность подрядных организаций. Вероятность риска в выборе поставщиков комплектующих может быть снижена объективным подходом к выбору партнеров, постоянным контролем качества поставляемой продукции и мониторингом хода выполнения заказов на всех этапах сотрудничества. Особо ответственные работы, это: разработка конструкторской документации, изготовление 3d моделей для литья и штампов, финишная обработка на полноразмерном фрезерном станке, следует выполнить непосредственно группой разработчиков.
5. ФИНАНСОВЫЙ ПЛАН
Финансовый план содержит сведения о предполагаемых расходах, необходимых для достижения цели проекта - создания работоспособных демонстрационных и предсерийных образцов двигателей, пригодных для полного цикла испытаний. Финансовый план разрабатывается с учетом специфики организационной структуры, особенностями самой разработки и планируемой производственной кооперацией. На момент начала серийного сборочного производства при достаточном количестве заказов весь объем относимых затрат на оплату труда и накладные расходы будет списан на внешние заказы. В этом случае, для оценки затрат на проект можно учитывать только «материальные затраты» и «затраты на испытания и сертификацию». С учетом данных обстоятельств, а также принимая во внимание ужатую организационную структуру, ожидается, что поставленные цели проекта «РВД» (без расходов на сертификацию) удастся достигнуть не превысив уровень затрат в 85 млн. рублей. Достаточно сказать, что приведенная сумма более чем в 100 раз меньше затрат, необходимых для создания серийного поршневого двигателя с нуля на специализированных моторных заводах. https://yadi.sk/i/ZNzYJs9c3EEgjt https://yadi.sk/i/ba0-vY0U3EEgZD
Роторно-волновой пока рано! Мы еще не готовы. Предлагаю для начала сделать просто волновой!
Седунов И.П. околачивается в Сколково, а какая репутация у этой конторы- всем известно.
В Сколково Седунов не околачивается, абсолютно точно. На самом деле проект супервыгодный. Почему до сих пор не подхватили диву даешься. Россия - матушка. Ждут, когда за океаном сделают.
За океаном Билл Гейтс собирается финансировать двигательс с противодвижущимися поршнями! (схема ПДП)! Билл Гейтс предложил обложить налогами труд роботов - Новости Экономики - Новости Mail.RuНу что же был знаменитый немецкий двухтактный авиадизель ЮМО-205 и ЮМО-207. Даже стоял на бомбардировщике. Характеристики великолепные, было два наддува - механический и турбо последовательно! Потом в 1946 году проходил испытания в ЦИАМе. Из него Чаромский делал свои танковый 5ТД и 6ТД. Работы в лаборатории НИИД (дизельный) проводились на территории ЦИАМа до конца 80-х годов. Там оставался препарированный макет ЮМО-207. В 90-х его умный гл. инженер приказал сдать на метаоллолом (алюминий), осталась россыпь стальных деталей. Гильза лежит у нас в редакции. И все же довести эти моторы не удалось! основная проблема в синхранизации работы 2-х валов - без демпфирования - "летят" зубья редуктора. У немцев внутри большой ведомой шестерни стоял резиновый (какой-то) демпфер. Но тогда исчезает жесткая кинематическая связь - получается нестабильный процесс продувки-горения. Пока ету задачку никому решить не удалось! "Авторы" "новой" идеи, думаю, об этих проблемах даже не догадываются! Пусть попробуют, Гейтс не обеднеет! У нас вот Прохоров попробовал с Е-мобилем и роторно-каким-то двигателем. Результат известен. Впрочем, он от этого тоже не разорился. Стоит отметить, что на Западе есть на чем летать - Лйки, Теледайны и Ротаксы на худой конец. А вот у нас летать не начем. Так что нам экзотикой заниматься рано - сначала черный хлеб, а уж потом черная икра.
ссылка другая: http://go2.imgsmail.ru/...
Противоположном - прекраснейшее и перспективное направление, над ним работают, и мне очень жаль, что среди них нет меня. С удовольствием бы поработал над прототипом!
А насчет Прохорова - там было ясно с самого начала, чем кончится. Оркестр, дирижером которого назначают человека, который умеет быстро сосчитать все ноты, но который не умеет играть ни на одном инструменте, шансов на популярность не имеет.
Противоположном - это противопоршень.Автокорректор.
Противопоршни - это хорошо, но такой двигатель кардинально ничего не меняет, также как звезда, биротативный, ванкель, аксиальный и другие поршневые. Удельную мощность газотурбинного с экономичностью дизеля пока может обеспечить рабочий процесс в описываемом здесь РВД.
Противопоршень позволяет улучшить компоновочные решения в автомобиле.
А есть уже хоть как-то работающий образец волнового?
Есть прообраз на основе винтового компрессора и винтовой рабочей машины. Работает, но характеристики его значительно хуже. Винтовой компрессор можно сделать в "гараже", а волновой уже не сделаешь
Слабый интерес к новым разработкам. Малая авиация пущена на полное самофинансирование.
Так и должно быть - частный капитал должен вложиться - тогда и стремление будет к реализации разработок. А если на уровне государства - то в большинстве случает все скатывается к освоению средств на разработки. А кто потом их внедрять и куда будет никто не думает, да и не заинтересован.
Ищем просто заинтересованных людей, способных что-то сделать по этой теме. Несмотря на низкую себестоимость в серийном производстве и относительно малую стоимость промышленного образца желающих войти финансами в разработку пока не находится. На питерском форуме много обсуждали инвестиционные проекты. Вот это один из наиболее рентабильных. Большую рентабильность трудно представить.
Агентство «АвиаПорт» является разработчиком программного обеспечения, позволяющего зарегистрированным пользователям сайта общаться друг с другом. Все сообщения отражают собственное мнение их авторов, и агентство не несет ответственность за достоверность и законность информации, публикуемой пользователями на страницах раздела.
www.aviaport.ru
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 4 (68) апрель 2006 года
Такие решения должны использовать плюсы существующих агрегатов: высокую экономичность дизелей; неограниченную мощность, малые габариты и вес газовых турбин; эффективное использование рабочего объема бензинового двигателя; бесшумность, многотопливность и высокий крутящий момент паровой машины и стирлинга; отсутствие органов газораспределения широко разрекламированного двигателя Ф.Ванкеля; высокий механический КПД и способность двигателя выполнять функции редуктора в нашумевшем бесшатунном двигателе С. Баландина и в малоизвестной конструкции Е. Льва; низкую токсичность выхлопа в двигателе В. Кушуля.В тепловой машине, основанной на перечисленных преимуществах, можно будет полностью или частично отказаться от охлаждения и смазки, убрать глушитель шума и маховик. При этом деталей в ней будет не больше, чем в двухтактном мотовелодвигателе.
На современном этапе развития техники эта задача может быть решена только с помощью качественно новых конструктивных решений. Например, с помощью роторно-волнового двигателя (РВД) – объемной прямоточной машины, воспроизводящей последовательность работы газотурбинного двигателя (патент РФ № 2155272).
Принцип «движущихся» волн
В этом агрегате совершенно устранено возвратно-поступательное движение рабочих органов, ротор полностью уравновешен и вращается с постоянной угловой скоростью. Рабочее тело, как и в турбине, движется вдоль оси двигателя; траектория движения – винтовая линия. В конструкции нет вредного пространства, ограничивающего рост степени сжатия рабочего тела. Из‑за отсутствия уплотнительных элементов и, соответственно, трения в проточной части снимаются ограничения по ресурсу и числу оборотов двигателя. Есть возможность произвольно изменять степень сжатия и расширения рабочего тела, а также без дополнительных регулировок и остановки двигателя осуществлять переход на любой сорт топлива.
Оригинальная кинематическая схема и оптимальный рабочий процесс роторного двигателя позволяют связать в одной конструкции положительные стороны всех известных ДВС. В основе кинематики РВД лежит сферический механизм, при этом оси его основных деталей пересекаются в одном месте – центре воображаемой сферы.
Установленный с минимальным зазором конический винтовой ротор совмещает вращение с противоположным ему планетарным обкатыванием по внутренним огибающим корпуса. Накладывая два эти вида движения на любые сечения ротора (кроме центра – точки его перегиба), можно увидеть, что они совершают в определенной последовательности равные угловые колебания в пазах корпуса, образуя волны, которые последовательно перекатываются по ходу винтовых поверхностей корпуса. Аналогичный процесс можно видеть на море в ветреную погоду, наблюдая за перемещением волн в «стоячей» воде.
В компрессорном отсеке формирование и движение волн начинаются от периферии по направлению к центру, а в расширительном отсеке – наоборот, от центра к периферии.
Как действует РВД?
Ротор и вал отбора мощности соединяются между собой в центре двигателя шарниром Гука, который можно назвать шарниром равных угловых скоростей (ШРУСом). Необходимое же ротору «дополнительное» обкатывание по внутренним огибающим корпуса задается вспомогательным устройством – так называемым «генератором волн». Его основной элемент – вращающийся на основном валу эксцентрик, с приводом через блок шестерен все от того же вала. Эксцентрик, наклоняя ротор на угол от 3 до 6 градусов, обеспечивает качание сечениям ротора в пределах от 12 до 24 градусов. В такой комплектации расчетный механический КПД двигателя составит невиданную цифру – 97 %.
С началом вращения винтовые поверхности ротора начинают открывать внутренние полости винтовых каналов компрессорного отсека, заталкивая в них воздух двумя потоками, смещенными относительно друг друга на 180°. За один оборот ротора в оба канала компрессорного отсека засасываются и отсекаются от впускного тракта по две порции воздуха. При дальнейшем повороте каждая порция воздуха начнет самостоятельно перемещаться к центру двигателя, непрерывно сокращаясь в объеме за счет уменьшения шага и амплитуды самого витка. Процесс сжатия будет продолжаться до тех пор, пока все уменьшающийся объем со сжатым воздухом не подойдет к камере сгорания. В этот момент процесс внутреннего сжатия воздуха в компрессорном отсеке закончится, и наступает следующий этап – выталкивание сжатого воздуха в камеру сгорания тыльной стороной витка, ближе других находящегося к центру ротора. Этот процесс сопровождается непрерывным распылением топлива в воздушном потоке с последующим его сгоранием в общей камере, куда и уходят все порции воздуха.
Для первоначального поджигания топливо-воздушной смеси в камере устанавливается запальная свеча. После запуска дальнейшее поджигание смеси должно поддерживаться газами, оставшимися от предыдущих циклов в общей камере сгорания. Последние, с высокой температурой и давлением, покидая камеру сгорания, заполняют на роторе винтовые каналы расширительных отсеков, расположенных по другую сторону от центра ротора (точки, где шаг и амплитуда угловых колебаний равна нулю).
С поворотом последнего происходит увеличение объемов расширительных отсеков – за счет чего и осуществляется рабочий ход. На момент максимального расширения кромки наружных витков ротора открываются и газы сначала свободно, а затем принудительно выходят в выпускной коллектор. Интервал выпуска отработанных газов из очередной камеры расширения составит 180°. Часть полученной в цикле мощности возвращается телом ротора в компрессорный отсек.
Двигатель – сам себе редуктор
Описанный рабочий процесс соответствует самой простой конструкции, в которой двухзаходный корпус работает в паре с однозаходным ротором. Рост же числа заходов неизбежно приводит к усложнению формы корпуса и ротора, которые между собой будут соотноситься в пропорции: 2/1, 3/2, 4/3, 5/4 и т. д. Поперечные сечения тел ротора и корпуса во всех случаях будут иметь гипотрохоидные формы с внешними огибающими.
Рассмотренный тип двигателя, в основе которого лежит внутреннее винтовое зацепление ротора с корпусом, образует новое семейство прямоточных коловратных машин: в нем с увеличением числа заходов ротора и корпуса угловая скорость ротора и, соответственно, вала отбора мощности, оборудованного ШРУСом, будет падать с одновременным ростом величины крутящего момента.
Эта замечательная особенность кинематической схемы РВД позволит многозаходному ротору «по совместительству» выполнять еще и функцию понижающего редуктора. Ведь не секрет, что рост мощности двигателя всегда идет по пути увеличения рабочих оборотов (больше‑то некуда), а потребители энергии, будь то винт судна или автомобильное колесо, остаются практически неизменными. Поэтому приходится ставить дополнительные редукторы для снижения оборотов. А здесь – двигатель сам себе редуктор.
Функция редуктора во многозаходных конструкциях возложена на механизм синхронизации, состоящий из неподвижного венца с внутренним зацеплением и меньшей по диаметру планетарной шестерни с внешним зацеплением, жестко соединенной с ротором. Количество зубьев венца в шестерне всегда должно соответствовать выбранной пропорции корпуса к ротору. Иначе нельзя: только этим достигается синхронизация и требуемое трохоидное движение ротора. Каждому новому обкатыванию шестерни ротора будет соответствовать ее поворот на фиксированный вместе с ротором угол. Для двухзаходного ротора, работающего в паре с трехзаходным корпусом, на одно обкатывание шестерни приходится поворот ротора в корпусе на 50 %, в трехзаходном варианте ротора – на 33 %, в четырехзаходном – на 25 % и т. д.
Если изначально однозаходный ротор, работающий в паре с двухзаходным корпусом, эквивалентен восьмицилиндровому поршневому ДВС, то уже двухзаходный ротор в паре с трехзаходным корпусом эквивалентны 24‑цилиндровому ДВС! Дальше – больше. Трехзаходный ротор соответствует 48-цилиндровому поршневому ДВС, четырехзаходный – 80-цилиндровому ДВС и т. д.
Для четырехзаходного ротора, у которого будет несколько меньший механический КПД (94‑95 %), расчетный крутящий момент на выходном валу увеличится по сравнению с поршневым аналогом с 16 до 21 раза. Причем – при равных с ним оборотах и литраже двигателя. Это – для автомобильного варианта, например, – само по себе уже не требует установки коробки передач, которая повышает крутящий момент двигателя всего в 4‑10 раз.
В новом двигателе ротор, производя полный оборот, вынужден при этом совершать четыре полных обкатывания по внутренним огибающим корпуса. Соответственно, при 2500 об/мин каждый из пяти винтовых каналов корпуса должен впустить по 10000 объемов воздуха, что в сумме составит 50000 объемов в минуту. Для сравнения: у аналогичного одноцилиндрового четырехтактного ДВС при равном числе оборотов количество тактов всасывания наполнит 625 рабочих объемов двигателя (каждый четвертый такт – всасывание). Отсюда и получается восьмидесятикратная разница. А учитывая низкий коэффициент наполнения безнаддувного поршневого двигателя (85% против 100‑105% в РВД), фактическое преимущество увеличится до 94 раз. При этом мы не учли еще разницу в механическом КПД поршневого ДВС и РВД (85% против 94%). Но ее соотнесем на протечки рабочего тела через «неплотности» ротора.
Осталось упомянуть и о предельно допустимых оборотах РВД. Современный поршневой ДВС применяет 4500‑6000 об/мин. Аналогичная по мощности газовая турбина свободно раскручивается до 50000‑70000 оборотов. РВД занимает промежуточное положение – от 2500 до 30000 оборотов (все зависит от количества заходов ротора).
Воздух на шарнирах
В рабочих отсеках РВД одновременно может сжиматься и расширяться от нескольких единиц до нескольких десятков объемов воздуха. А то место, где ротор приближается, едва не касаясь поверхностью на минимальное расстояние к корпусу, – как раз и является подвижной разделительной линией между последовательно движущимися камерами. За каждый оборот ротора степень сжатия (расширения) изменяется в 4‑5 раз. Теоретическая же степень сжатия (расширения) в одном агрегате может достигать ста единиц (все зависит от количества витков), и это при полном отказе от уплотнительных элементов, роль которых выполняет тело ротора.
Ротор, освобождаясь от механического трения, «завинчивает» порции воздуха в камеру сгорания, нигде не касаясь стенок корпуса, – поэтому отпадает и необходимость в смазке рабочих отсеков двигателя. Трение остается лишь в подшипниках качения, на которые опирается ротор за пределами горячих зон и в ШРУСе. Последний конструктивно позволяет передавать весь поток мощности от ротора выходному валу фактически без потерь (достаточно вспомнить, что механический КПД широко используемых в технике ШРУСов очень высок и колеблется при малых углах качания от 99 до 99,5 %). Кроме того, шарнирное соединение автоматически точно центрирует ротор в любом его положении, а сам шарнир, расположенный в центре двигателя, надежно защищен от теплового воздействия камеры сгорания необходимой толщиной сферического теплового экрана.
Время работы двигателя увеличивается
Таким образом, в РВД ничто не препятствует применению очень высоких оборотов: ротор вращается с постоянной угловой скоростью, он прекрасно уравновешивается, вместо клапанов (или даже окон) в конструкции используются каналы неограниченной пропускной способности для непрерывного поступления воздуха в рабочие отсеки двигателя. Отсутствие трения снимает также ограничения по износу деталей и ресурсу двигателя в целом. В двигателе будут изнашиваться только подшипники, а для них ресурс в 30‑40 тыс. рабочих часов – не предел.
Заметим, что хороший автомобильный двигатель в наше время имеет моторесурс 5000‑7000 часов до первого ремонта. В то же время автомобильные РВД при неограниченной мощности окажутся долговечнее даже, чем рама автомобиля (т. е. самое долговечное, что в нем есть).
Рабочий процесс для камеры постоянного сгорания позволяет, не останавливая двигатель, подавать в него любой вид жидкого, газообразного или даже твердого распыленного топлива – явное преимущество перед турбинами, дизельными и карбюраторными двигателями.
В кинематических звеньях механизмов поршневых и роторных ДВС есть так называемые «мертвые точки». Для их преодоления за двигателем устанавливается значительный по массе маховик. В РВД же газовые силы, действующие на ротор, направлены всегда по касательной к его поверхности, они постоянны и непрерывны, что делает совершенно не нужной установку маховика, а в некоторых случаях – и противовесов, применяемых для полного уравновешивания двигателя.
Компоновочная схема компрессорного и расширительного отсеков РВД такова, что допускает также, без остановки двигателя, в широких пределах изменять степень сжатия и расширения рабочего тела, в том числе – до полного расширения отработанных газов, когда отпадает необходимость в глушителе шума. При этом не только исчезает значительное сопротивление, которое создает глушитель, отнимая у двигателя до 10 % его мощности, но и в процессе продолженного расширения, выделяется еще 10‑15 % дополнительной энергии.
Наконец, главный резерв повышения КПД роторно-волнового двигателя – применение в конструкции керамических материалов: жаропрочных теплоизолированных покрытий, позволяющих отказаться от системы охлаждения. Это позволяет новым агрегатам заменить собой сложнейшие турбокомпаундные двигатели. Причем используются только те свойства керамики, которыми она всегда обладала, – способность работать на сжатие, умеренное растяжение при стабильной температуре и давление во всех сечениях корпуса и ротора.
В заключение приведем еще несколько цифр. Расчетный индикаторный КПД простого цикла РВД в адиабатном исполнении и при весьма умеренной степени сжатия, равной 15 со степенью расширения 36, составит 51 %. Соответственно, расход топлива в этом случае может составить 171 г/кВт при удельном весе силовой установки 0,15‑0,25 кг/кВт.
Для сравнения: в дизельном двигателе, использующем такую же степень сжатия, расход топлива составляет 224 г / кВт при удельном весе 3,5‑15 кг/кВт.
А за счет дальнейшего увеличения степени сжатия в РВД и использования в нем системы регенерации отработанных газов (для возврата теряемой с отработанными газами теплоты) индикаторный КПД теплового цикла можно увеличить еще более значительно.
Там, где требуется получить максимальный расход воздуха и огромные мощности, например в авиационных двигателях и судовых установках, выгоднее использовать многозаходные кинематические схемы, ограниченные по росту степени сжатия. Если главным фактором выступает экономичность, перспективней использовать двух-трехзаходные схемы роторов, как наиболее простые и допускающие наибольшую степень сжатия и расширения рабочего тела.
Необходимо признать, что на данный момент сильно отстает технологическая база предприятий, которые можно привлекать для изготовления подобного класса машин. Но вместе с тем интенсивное развитие компьютерного проектирования способно решить многие технические вопросы, открывая тем самым благоприятные условия для создания высокоэкономичных и экологически безопасных энергетических установок, какими являются роторно-волновые двигатели.
www.eprussia.ru
Сегодня уже мало кого устраивает, что 60-70 % теплоты вырабатываемой двигателями внутреннего сгорания просто выбрасывается в атмосферу. Когда же энергетика с ее ограниченными сырьевыми ресурсами не сможет мириться и с 20-30 % потерями тепла в рамках все той же классической термодинамики, то без сомнения будут востребованы только те технические решения, которые смогут преодолеть основные недостатки существующих тепловых машин, позаимствовав от них только плюсы. Так от газовой турбины будет взята неограниченная мощность, малые габариты и вес; от дизеля — высокая экономичность; от его бензинового конкурента — приемистость и максимально эффективное использование рабочего объема двигателя; от фактически забытой паровой машины и ее «родственника» в лице современного стирлинга — бесшумность, многотопливность и высокий крутящий момент; от широко разрекламированного в недавнем прошлом двигателя Ф. Ванкеля — отсутствие органов газораспределения; от нашумевшего бесшатунного двигателя С. Баландина и совсем уж неизвестной конструкции Е. Льва — высокий механический КПД и способность двигателя выполнять функции редуктора; а от мало кому известного двигателя В. Кушуля — низкую токсичность выхлопа. . В нем удастся полностью или частично отказаться от: охлаждения и смазки, убрать глушитель шума, маховик, и это при количестве деталей не большем, чем в двухтактном мото — велодвигателе. На сегодняшнем этапе развития техники эта задача может быть решена только с переходом к качественно новым двигателям внутреннего сгорания с иными конструктивными принципами и решениями. Таким условиям полностью отвечает концептуальная идея «Роторно-волнового двигателя» (пат. России № 2155272) — объемной прямоточной машины, воспроизводящей последовательность работы газотурбинного двигателя. В нем совершенно устранено возвратно-поступательное движение рабочих органов, ротор полностью уравновешен и вращается с постоянной угловой скоростью. Рабочее тело, как и в турбине, движется вдоль оси двигателя, траектория движения — винтовая линия. В конструкции отсутствует вредное пространство, ограничивающее рост степени сжатия рабочего тела. Из-за отсутствия уплотнительных элементов и, соответственно трения в проточной части, снимаются ограничения по ресурсу и числам оборотов двигателя. Рабочий процесс допускает, произвольно изменять степень сжатия и расширения рабочего тела; без дополнительных регулировок и остановки двигателя осуществлять переход на любой сорт топлива. Оригинальная кинематическая схема и прогрессивный рабочий процесс роторного двигателя позволяет собрать в одной конструкции только положительные стороны всех типов ДВС. В основе же кинематики роторно-волнового двигателя (РВД) лежит сферический механизм, где оси его основных деталей пересекаются в одном месте — центре воображаемой сферы. Установленный с минимальным зазором конический винтовой ротор совмещает вращение с противоположным ему планетарным обкатыванием по внутренним огибающим корпуса. Накладывая два эти вида движения на любые сечения ротора (кроме центра — точки его перегиба), можно увидеть, что они совершают в определенной последовательности равные угловые колебания в пазах корпуса, образуя волны, которые последовательно перекатываются по ходу винтовых поверхностей корпуса. Аналогичный процесс можно видеть на море, наблюдая в ветреную погоду за перемещением волн в «стоячей воде». В компрессорном отсеке формирование и движение волн начинается от периферии по направлению к центру, а в расширительном отсеке — наоборот — от центра к периферии. 
. 1- Ротор; 2- Корпус; 3- Вал отбора мощности; 4- Шарнир равных угловых скоростей; 5- Эксцентрик; 6- Блок шестерен. А- впускное окно, Б- выпускное окно, В- компрессорный отсек, Г- камера сгорания, Д- расширительный отсек, φ- угол наклона ротора. Ротор (1) и вал отбора мощности (3) соединяются между собой в центре двигателя шарниром Гука (4), который можно назвать шарниром равных угловых скоростей (ШРУСом). Необходимое же ротору «дополнительное» обкатывание по внутренним огибающим корпуса задается вспомогательным устройством — так называемым «генератором волн». Его основной элемент — вращающийся на основном валу эксцентрик (5), с приводом через блок шестерен (6) все от того же вала. Эксцентрик наклоняя ротор от 3 до 6 градусов обеспечивает угловое качание сечениям ротора в пределах от 12 до 24 градусов (подробнее см. в отраслевом журнале «Двигателестроение» 2 и 3 № за 2001 г.). В такой комплектации расчетный механический КПД двигателя составит невиданную цифру — 97 %. С началом вращения, винтовые поверхности ротора начинают открывать внутренние полости винтовых каналов компрессорного отсека, засасывая и них воздух двумя потоками, смещенными относительно друг друга на 180 градусов. За один оборот ротора в оба канала компрессорного отсека засасываются и отсекаются от впускного тракта по две порции воздуха. При дальнейшем повороте, каждая порция воздуха начнет самостоятельно перемещаться к центру двигателя, непрерывно сокращаясь в объеме за счет уменьшения шага и амплитуды самого витка. Процесс сжатия будет продолжаться до тех пор, пока все уменьшающийся объем со сжатым воздухом не подойдет к камере сгорания. В этот момент процесс внутреннего сжатия воздуха в компрессорном отсеке закончится, наступает следующий этап — выталкивание сжатого воздуха в камеру сгорания тыльной стороной витка, ближе других находящегося к центру ротора. Этот процесс сопровождается непрерывным распыливанием топлива в воздушном потоке с последующим его сгоранием в общей камере, куда и выталкиваются все порции воздуха. Для первоначального поджигания топливовоздушной смеси в камере устанавливается запальная свеча. После запуска дальнейшее поджигание смеси должно поддерживаться газами, оставшимися от предыдущих циклов в общей камере сгорания. Последние, с высокой температурой и давлением покидая камеру сгорания, заполняют на роторе винтовые каналы расширительных отсеков, расположенных по другую сторону от центра ротора (точки, где шаг и амплитуда угловых колебаний равна нулю). С поворотом последнего происходит увеличение объемов расширительных отсеков за счет чего и осуществляется рабочий ход. На момент максимального расширения, кромки наружных витков ротора открываются и газы сначала свободно, а затем принудительно выдавливаются в выпускной коллектор. Интервал выпуска отработанных газов из очередной камеры расширения составит 180 градусов. Часть полученной в цикле мощности возвращается телом ротора в компрессорный отсек. 
. Пятигипотрохоидный РВД с внешними огибающими и с отбором мощности через шарнир равных угловых скоростей (ШРУЗ). Обладает свойствами редуктора — четырем обкатываниям ротора, с засасыванием в двигатель 20 объемов воздуха, соответствует один оборот выходного вала. Заменяет собой 80-ти цилиндровый поршневой ДВС. 
. Трехгипотрохоидный РВД с внешними огибающими и с отбором мощности через вал с косой шейкой. Выходной вал и ротор вращаются в разные стороны в пропорции 1:0,5 Заменяет собой 12-ти цилиндровый поршневой ДВС. Описанный рабочий процесс соответствует самой простой конструкции, в которой двухзаходный корпус работает в паре с однозаходным ротором. Рост же числа заходов неизбежно приводит к усложнению формы корпуса и ротора, которые между собой будут соотноситься как целые порядковые числа: 2\1; 3\2; 4\3; 5\4 и т. д. Поперечные сечения тел ротора и корпуса во всех случаях будут иметь гипотрохоидные формы с внешними огибающими: например, как это показано на Рис. 2 и 3. На рис 3. изображен один из альтернативных вариантов отбора мощности от ротора — валом с косой шейкой. Рассмотренный тип двигателя, в основе которого лежит внутреннее винтовое зацепление ротора с корпусом, образует новое семейство прямоточных коловратных машин: в нем, с увеличением количества заходов ротора и корпуса, угловая скорость ротора и соответственно вала отбора мощности оборудованного ШРУСом будет падать, с одновременным ростом величины крутящего момента. Эта замечательная особенность кинематической схемы РВД позволит многозаходному ротору по совместительству выполнять еще и функцию понижающего редуктора. Ведь не секрет, что рост мощности двигателя всегда идет по пути увеличения рабочих оборотов (ему больше некуда идти), а потребители энергии, будь то винт судна, или автомобильное колесо, остаются практически неизменными. Приходится ставить дополнительные редукторы для снижения оборотов. А здесь, двигатель сам себе и редуктор. Функция редуктора в многозаходных конструкциях (Рис.2) возложена на механизм синхронизации, состоящий из неподвижного венца с внутренним зацеплением (1) и меньшей по диаметру планетарной шестерни с внешним зацеплением (2) жестко соединенной с ротором. Количество зубьев венца к шестерне всегда должно соответствовать выбранной пропорции корпуса к ротору. Иначе нельзя, только этим достигается синхронизация и требуемое трохоидное движение ротора. Каждому новому обкатыванию шестерни ротора будет соответствовать ее поворот на фиксированный вместе с ротором угол. Для двухзаходного ротора, работающего в паре с трехзаходным корпусом, на одно обкатывание шестерни приходится поворот ротора в корпусе на 50 %, в трехзаходном варианте ротора — на 33 %, в четырехзаходном — на 25 % и т. д. Если изначально однозаходный ротор, работающий в паре с двухзаходным корпусом эквивалентен восьмицилиндровому поршневому ДВС, то уже двухзаходный ротор в паре с трехзаходным корпусом эквивалентны 24-х цилиндровому ДВС. Дальше — больше. Трехзаходный ротор соответствует 48 цилиндровому поршневому ДВС, четырехзаходный — 80 цилиндровому ДВС и т. д. Для последнего примера, у которого будет несколько меньший механический КПД (94 -95 %), расчетный крутящий момент на выходном валу увеличится от 16 до 21 раза в сравнении с поршневым аналогом, и это при равных с ним оборотах и литраже двигателя. Что само по себе, например, для автомобильного варианта уже не требует установки за двигателем коробки передач, которая повышает крутящий момент двигателя всего в 4 — 10 раз. Здесь ротор, производя полный оборот, вынужден при этом совершать четыре полных обкатывания по внутренним огибающим корпуса. Соответственно, при 2500 об/мин ротора, каждый из пяти винтовых каналов корпуса должен всосать по 10000 объемов воздуха, что в сумме составит 50000 объемов в минуту. Для сравнения, у аналогичного одноцилиндрового четырехтактного ДВС при равных оборотах, количество тактов всасывания наполнит 625 рабочих объемов двигателя (каждый четвертый такт — всасывание). Вот откуда она, восьмидесятикратная разница. Учитывая низкий коэффициент наполнения безнаддувного поршневого двигателя, равный 85 % против 100-105 % в РВД, фактическая разница увеличится до 94. Мы не учли еще разницу в механическом КПД поршневого ДВС и РВД соответственно 85 % против 94 %. Соотнесем ее на протечки рабочего тела через «неплотности» ротора. Осталось упомянуть и о предельно допустимых оборотах РВД, сравнив их с серийными двигателями. Современный поршневой ДВС применяет 4500 — 6000 об/мин; аналогичная по мощности газовая турбина свободно раскручивается до 50000 — 70000 об/мин; РВД должен занять промежуточное положение — его удел от 2500 до 30000 об/мин (все зависит от количества заходов ротора). В рабочих отсеках РВД одновременно может сжиматься и расширяться от нескольких единиц до несколько десятков объемов воздуха. А то место, где ротор, едва не касаясь своей поверхностью, приближается на минимальное расстояние к корпусу, как раз и является подвижной разделительной линией между последовательно движущимися камерами (на Рис.1 сечения 1-1 и 1Х-1Х). За каждый оборот ротора степень сжатия (расширения) изменяется в 4-5 раз. Теоретическая же степень сжатия ( расширения ) в одном агрегате может достигать ста единиц (все зависит от количества витков), и это при полном отказе от уплотнительных элементов, роль которых выполняет тело ротора. Ротор, освобождаясь от механического трения «завинчивает» порции воздуха в камеру сгорания нигде не касаясь стенок корпуса, поэтому так же отпадает необходимость в смазке рабочих отсеков двигателя. Трение остается лишь в подшипниках качения, на которые опирается ротор за пределами горячих зон и в ШРУСе. Последний же конструктивно очень просто позволяет передавать весь поток мощности от ротора выходному валу фактически без потерь. Достаточно вспомнить, что механический КПД широко используемых в технике ШРУСов очень высок и колеблется при малых углах качания от 99 до 99,5 %. Кроме этого, шарнирное соединение автоматически точно центрирует ротор в любом его положении, а сам шарнир, расположенный в центре двигателя, надежно защищен от теплового воздействия камеры сгорания необходимой толщиной сферического теплового экрана. Как видим, в РВД ничто не препятствует применению очень высоких оборотов: ротор вращается с постоянной угловой скоростью, он прекрасно уравновешивается, вместо клапанов, или даже окон, в конструкции используются каналы неограниченной пропускной способности для непрерывного поступления воздуха в рабочие отсеки двигателя. Отсутствие трения также снимает ограничения по износу деталей и ресурсу двигателя в целом. В двигателе будут изнашиваться только подшипники, а для них ресурс в 30 — 40 тыс. рабочих часов не предел. Заметим кстати, что хороший автомобильный двигатель в наше время имеет моторесурс 5000- 7000 часов до первого ремонта. Автомобильные РВД, при неограниченной мощности окажутся долговечнее, чем рама автомобиля (самое долговечное, что есть в нем ). Рабочий процесс для камеры постоянного горения, позволяет, не останавливая двигатель, подавать в него любой вид жидкого, газообразного или даже твердого распыленного топлива, полностью стирая грани между турбинами, дизельными и карбюраторными двигателями. В кинематических звеньях механизмов поршневых и роторных ДВС присутствуют так называемые «мертвые точки», для их преодоления за двигателем устанавливается значительный по массе маховик. В РВД же — газовые силы, действующие на ротор, направлены всегда по касательной к его поверхности, они постоянны и непрерывны, что делает совершенно не нужной установку маховика, а в некоторых случаях и противовесов, применяемых для полного уравновешивания двигателя. Компоновочная схема компрессорного и расширительного отсеков РВД такова, что допускает также, без остановки двигателя, в широких пределах изменять степень сжатия и расширения рабочего тела, в том числе до полного расширения отработанных газов, при котором отпадает необходимость в глушителе шума. Исчезает не только значительное сопротивление, которое создает глушитель, отнимая у двигателя до 10 % его мощности, но и в процессе продолженного расширения выделится еще 10 -15 % дополнительной энергии. Разумеется, прирост мощности в 20-25% очень привлекательны и для разработчиков серийных ДВС. На практике же продолженное расширение не удается применять из-за нецелесообразного увеличения весогабаритных показателей силовых установок с одновременным ростом в них величины механических потерь. Ну и, наконец, главный резерв повышения КПД — применение в конструкции РВД керамических материалов — жаропрочных теплоизолированных покрытий, позволяющих отказаться от системы охлаждения и заменить собой сложнейшие турбокомпаундные двигатели. С использованием только таких свойств керамики для РВД, которыми она всегда обладала — способностью работать на сжатие, умеренное растяжение при стабильной температуре и давлении во всех сечениях корпуса и ротора. В заключение приведем еще несколько цифр. Расчетный индикаторный КПД простого цикла РВД в адиабатном исполнении и весьма умеренной степени сжатия равной 15 со степенью расширения 36 составит 51 %. Соответственно расход топлива в этом случае может составить 171 г/кВт, при удельном весе силовой установки 0,15 — 0,25 кг/кВт. Для сравнения — в дизельном двигателе, использующим такую степень сжатия, расход топлива составляет 224 г/кВт при удельном весе 3,5 — 15 кг/кВт. За счет дальнейшего увеличения степени сжатия в РВД и использования в нем системы регенерации отработанных газов ( для возврата теряемой с отработанными газами теплоты), индикаторный КПД теплового цикла можно еще значительно увеличить. Там, где требуется получить максимальный расход воздуха и огромные мощности, например, для авиации и судовых установок — выгоднее использовать многозаходные кинематические схемы, ограниченные по росту степени сжатия. Если главным фактором выступает экономичность, перспективней использовать двух — трехзаходные схемы роторов, как наиболее простые и допускающие наибольшую степень сжатия и расширения рабочего тела. Необходимо признать, что на данный момент времени сильно отстает технологическая база предприятий, которые можно привлекать для изготовления подобного класса машин, но вместе с тем интенсивное развитие компьютерного проектирования способно решить многие технические вопросы, открывая тем самым благоприятные условия для создания высокоэкономичных и экологически безопасных энергетических установок. autokadabra.ru
1. Рост числа заходов винтовых конусов приводит к усложнению формы корпуса и ротора. В качестве примера выбрана пропорция 1:2, соответствующая самому простому однозаходному ротору в паре с двухзаходным корпусом. Абсолютная же величина пропорции определяет выбор соответствующей конструкции опорных узлов, которые могут быть встроены в ротор либо вынесены за его пределы. Каждый опорный узел (для пропорции 1:2) содержит две крейцкопфные пары и фрагмент коленчатого вала с опорными и выходной шейками, при этом выходная шейка связана с валом отбора мощности посредством поводкового механизма, снабженного противовесом, а смежные опорные шейки установлены с возможностью их качательного движения в пересекающихся направлениях. В качестве альтернативы крейцкопфным парам могут быть использованы шатунные механизмы, обеспечивающие опорным шейкам качательное движение. Корпус и соответственно ротор в компрессорном и расширительном отсеках выполнены с противоположной винтовой навивкой, при этом частота и амплитуда витков от центра к периферии возрастает. Это обеспечивает, при однонаправленном вращении, по одну сторону камеры сгорания, движение сжимаемого воздуха от периферии к центру и по другую сторону - расширяющихся газов от центра к периферии. Винтовая конструкция основных узлов двигателя по мере приближения их к камере сгорания позволяет снижать величину допускаемых отклонений и соответственно геометрические зазоры, что по мере увеличения степени сжатия, при возможности работы двигателя, приведет к более точному сопряжению корпус - ротор, а в зоне максимального давления (камере сгорания, где амплитуда меняет свой знак на противоположный) геометрический люфт в сочленении корпус-ротор будет равен абсолютному нулю; в свою очередь, при бесконтактном способе уплотнения в двигателе это приведет к минимальным утечкам рабочего тела в смежные полости других камер как в компрессорном, так и расширительном отсеках. Этому способствует и сокращение длины уплотнительного контура самих витков ротора в камерах с более высоким давлением. Установка ротора в не менее чем двух опорных узлах, учитывая достаточно сложный характер его движения, является необходимым условием, обеспечивающим практическую работоспособность заявленного типа двигателя. Реализация связи выходных шеек коленчатого вала с валом отбора мощности посредством, например, поводкового механизма является одним из возможных путей передачи крутящего момента валу отбора мощности с перемещающегося по нескольким координатам коленчатого вала в наиболее удобном для потребителя виде. Введение в схему двигателя фрагментов коленчатого вала в качестве узла, формирующего равномерный крутящий момент и отбор мощности, требует включения упомянутой кинематической связи в перечень отличительных признаков, обеспечивающих работоспособность устройства. В известных в науке и технике решениях /в объеме проведенного поиска/ указанные отличительные признаки не были обнаружены, что позволяет утверждать соответствие изобретения критериям новизны и изобретательского уровня. На фиг. 1 изображен продольный разрез двигателя; на фиг.2 -сечение I-I фиг. 1; на фиг.3 - сечение II-II фиг. 1: на фиг.4 - сечение III-III фиг. 1; на фиг.5 - аксонометрическая проекция кинематической схемы двигателя. Роторно-волновой двигатель, содержащий ротор (2), установленный в корпусе (1), включающем впускное (19) и выпускное (20) окна, компрессорный (21) и расширительный (23) отсеки и камеру сгорания (22). Внутренняя поверхность корпуса (1) выполнена в виде лежащих на одной оси пары винтовых конусов, обращенных навстречу вершинами. Подобный ротор (2) установлен внутри корпуса (1)и под углом к его оси. При поперечном разрезе каждого последующего участка ротора по направлению витка (в рассматриваемых компрессорном и расширительном отсеках корпуса) в сечении образуются окружности разного диаметра с профилями, подобными друг другу. По обе стороны ротора установлены фрагменты коленчатого вала-шейки 3,4,5,6,7,8. Все они входят в состав опорных узлов 24, 25. Соответственно каждый опорный узел 24, 25 состоит из двух смежных опорных шеек 3,4 и 6,7, выходной шейки 5,8 и двух пар крейцкопфов 9,10 и 11,12. Выходные шейки 5,8 связаны с валами отбора мощности посредством поводковых механизмов 13, 14, снабженных противовесами 15,16. В проточной части корпуса, до расширительного отсека, также установлены форсунки 17 и запальные свечи 18. Камера сгорания при этом имеет форму тора, ось вращения которого совпадает с осевой линией корпуса. Устойчивость ротора в любой точке на его орбите обеспечивается, как минимум, двумя опорными узлами 24, 25, расположенными по обе стороны от ротора. Каждый опорный узел это опора, обеспечивающая всем точкам ротора синхронное орбитальное вращение по заданным траекториям и их динамическое уравновешивание. Смежные опорные шейки 3,4, 6,7, входящие в состав опорного узла 24,25, установлены с возможностью их качательного движения в пересекающихся направлениях. Оси качания всех шеек пересекаются в одной точке - центре ротора. Выходные шейки 5,8 также входят в состав опорных узлов ротора, т.к. они принимают участие в его уравновешивании. Качательное движение опорных шеек как фрагментов коленчатого вала описывается уравнением эллипса, лежащим на поверхности шара. Точка, лежащая на равном расстоянии между смежными опорными шейками и соединенная с центром ротора лучом - ось ротора, описывает окружность (как частный случай эллипса). Эта ось и используется для отбора мощности и установки противовесов. Работа двигателя осуществляется следующим образом. Воздух в компрессорный отсек поступает непрерывно через впускное окно в два параллельных канала 26 и 27, смещенных относительно друг друга на 180o. Ротор 2, не касаясь стенок, вращается и одновременно планетарно обкатывается по внутренним огибающим корпуса, засасывая воздух в открытые объемы наружных витков винтовых каналов. За каждый оборот в оба канала компрессорного отсека засасываются и отсекаются от впускных окон по два объема воздуха. При дальнейшем повороте винтовой канал, в составе одного витка, начнет перемещаться к центру двигателя - камере сгорания, непрерывно уменьшаясь в объеме, за счет уменьшения частоты и амплитуды самого витка. Процесс сжатия продолжается до тех пор, пока все уменьшающийся объем со сжатым воздухом не подойдет к камере сгорания. В этот момент процесс внутреннего сжатия воздуха в компрессорном отсеке заканчивается. При последующем вращении ротора происходит процесс выталкивания сжатого воздуха в камеру сгорания тыльной стороной одного из витков ротора. На этом этапе через форсунки в воздух впрыскивается топливо и образованная топливно-воздушная смесь поджигается запальной свечей, установленной по ходу движения - в камере сгорания. В активном распространении пламени топливо-воздушной смеси участвуют газы, оставшиеся в камере от предыдущих циклов. Сгоревшие газы с более высокой температурой и давлением покидают камеру сгорания и заполняют на роторе винтовые каналы расширительных отсеков, расположенных по другую сторону от центра ротора - места, в котором частота и амплитуда колебаний самого ротора равна нулю. Увеличение объемов расширительных отсеков происходит за счет выдавливающего воздействия газов на витки ротора. На момент максимального расширения кромки наружных витков ротора открываются, и газы, сначала свободно, а затем принудительно, выдавливаются в выпускное окно. Интервал выпуска отработанных газов из очередной камеры расширения в выпускное окно составляет 180o. Следует отметить, что суммарный объем камеры сгорания во время работы остается неизменным, т.к. любое уменьшение объема компрессорной части компенсируется синхронным увеличением объема расширительной части ротора. При равенстве диаметров и количества витков в компрессорном и расширительном отсеках полезный крутящий момент в двигателе определяется разностью затрат на сжатие и расширение рабочего тела (учитывая также и механические потери) и незначительно зависит от угла поворота ротора в неподвижном корпусе. "Мертвые точки", характерные для машин периодического действия, полностью исключаются для кинематики волнового двигателя с любым отношением числа заходов корпуса к ротору (2:1, 3:2, 4:3 и т.д.). С увеличением числа заходов равномерность крутящего момента увеличивается. Таким образом полный цикл, осуществляемый двигателем, состоит из отдельных этапов: непрерывного всасывания, порционного сжатия, окисления топлива воздухом в камере сгорания и далее - порционного расширения сгоревших газов с последующим их выпуском в выпускное окно. Все это происходит одновременно и непрерывно во всех движущихся камерах. В двигателе реализуется цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v=const), наиболее экономичный в сравнении с другими термодинамическими циклами. Рассмотренный тип двигателя, в основе которого лежит внутреннее винтовое зацепление ротора с корпусом, допускает возможность получения высокой степени сжатия (
) до ста и более единиц в одном агрегате и в отличие от прототипа рабочие полости его не содержат "вредного пространства". По ходу движения рабочего тела, особенно в области высоких температур, гарантировано отсутствие масла в проточной части двигателя, приводящее к закоксовыванию его рабочих элементов. Конструирование же рабочего процесса, как в дизельном, так и в карбюраторном исполнении, подходит для использования не только жидкого или газообразного топлива, но и распыленных твердых сортов топлива. В конструктивном плане в двигателе полностью отсутствуют детали, совершающие знакопеременное движение, ротор вращается с постоянной угловой скоростью, без соприкосновения с корпусом, при этом он полностью уравновешен, что допускает форсирование двигателя по числам оборотов. Всестороннее сжатие, которое может испытывать ротор во время работы, без резких колебаний температуры, очень благоприятно для использования в нем композиций из керамических материалов. Выступающие части ротора и корпуса имеют плавные очертания и вписываются в любую систему охлаждения. А т.к. схема легко допускает полное расширение рабочего тела, отсутствует потребность в глушителе шума. 1 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что корпус и ротор в компрессорном и расширительном отсеках выполнены с противоположной навивкой, при этом частота и амплитуда витков от центра к периферии возрастает. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждый опорный узел содержит по две крейцкопфные пары и фрагмент коленчатого вала с опорными и выходной шейками, при этом выходная шейка связана с валом отбора мощности посредством поводкового механизма, снабженного противовесом, а смежные опорные шейки установлены с возможностью их качательного движения в пересекающихся направлениях. 5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что камера сгорания имеет форму тора. 6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что топливные форсунки установлены в проточной части корпуса до расширительного отсека. www.freepatent.ru
Cтраница 2
На рис. 32 показана упрощенная схема конструкции волнового двигателя реактивного типа с радиально-осе-вым замыканием магнитного потока. [16]
На рис. 33 показана еще одна конструктивная схема волнового двигателя с радиальным замыканием магнитного потока. [17]
Применение активного ротора повышает энергетические показатели и вращающий момент волнового двигателя. [18]
Определим электромагнитные силы, действующие на гибкий ротор, и момент на валу волнового двигателя. [19]
Таким образом, реактивный волновой двигатель ( РВД) - двигатель без возбуждения и синхронный волновой двигатель ( СВД) - двигатель с возбуждением - являются электрическими машинами параметрического типа. [20]
По конструктивным схемам, приведенным на рис. 32 и 33, может быть выполнен и индукторный волновой двигатель, который имеет лучшие энергетические показатели работы и развивает больший момент, чем реактивный волновой двигатель. Для индукторного двигателя характерно наличие на сердечнике статора помимо обмотки переменного тока еще и обмотки постоянного тока, с помощью которой в двигателях создается неизменный по направлению магнитный поток. Необходимо при этом отметить, что промежуточная волна силы магнитного притяжения недостаточна по амплитуде для осуществления зацепления. [22]
Снижая разницу между количеством зубцов статор-ного и роторного венцов, получают весьма низкие частоты вращения выходного вала волнового двигателя. [23]
По конструктивным схемам, приведенным на рис. 32 и 33, может быть выполнен и индукторный волновой двигатель, который имеет лучшие энергетические показатели работы и развивает больший момент, чем реактивный волновой двигатель. Для индукторного двигателя характерно наличие на сердечнике статора помимо обмотки переменного тока еще и обмотки постоянного тока, с помощью которой в двигателях создается неизменный по направлению магнитный поток. Необходимо при этом отметить, что промежуточная волна силы магнитного притяжения недостаточна по амплитуде для осуществления зацепления. [25]
При пуске двигателя магнитное поле статора создает при взаимодействии с ротором не только вращающий момент на валу, но и - из-за конусности ротора - силу магнитного притяжения ротора к статору, с действием которой мы уже познакомились на примере работы двигателей с катящимся ротором и волновых двигателей. Тормозные колодки 7 отходят от поверхности подшипникового щита 9, и вал двигателя начинает вращаться. [26]
Волновой микродвигатель индукторного типа можно выполнить по той же конструктивной схеме, что и реактивный ( см. рис. 4.25), разместив на сердечниках 2 дополнительные обмотки постоянного тока, которые создают униполярный поток подмагничивания. Волновые двигатели индукторного типа развивают больший, чем реактивные, момент за счет взаимодействия вращающегося поля и поля подмагнкчивания и имеют лучшие энергетические показатели. [27]
Электропривод с волновыми механическими передачами строится по обычной схеме: двигатель - волновая передача. Основным достоинством волнового двигателя является низкая частота вращения его выходного вала при значительном вращающем моменте, что позволяет непосредственно соединять его с производственным механизмом. Масса и габариты привода при этом оказываются меньше, чем у привода той же мощности, выполненного по обычной схеме двигатель - редуктор. Двигатель обладает и хорошим быстродействием. Вре - мя его пуска при питании от сети 50 Гц составляет сотые доли секунды, а при отключении напряжения ротор двигателя останавливается примерно за то же время практически без выбега. Двигатель имеет также низкий i уровень вибраций, чем выгодно отличается от рассмот - ренных выше двигателей с катящимся ротором. [28]
Недостатком волновых микродвигателей является сложность конструкции и технологии изготовления, связанная в основном с требованием обеспечения необходимой эластичности ротора. Энергетические показатели волновых двигателей невысоки, особенно у двигателей реактивного типа, вследствие больших немагнитных зазоров на пути магнитного потока и особенностей конструкции внешнего и внутреннего магнитопроводов. [29]
Страницы: 1 2 3
www.ngpedia.ru
Изобретение относится к двигателестроению. Двигатель содержит корпус и ротор. Ротор качается на кривошипе вала. Вал вращается в опорах корпуса с помощью устройства ограничения вращения. Двигатель снабжен секциями, составленными из полостей. Полости имеют отсекаемые объемы, смещающиеся по спирали, в виде камер нагнетания и камер сгорания в компрессорном и расширительном отсеках. В корпусе выполнены впускное и выпускное окна, установлены топливные форсунки и свечи зажигания. Ось кривошипа пересекает ось вала. Точка пересечения осей является центром механизма. Полости ограничены поверхностями, вершины которых совпадают с центром механизма, и поверхностями, полученными путем качания спиралей относительно центра механизма. Образующая спираль перемещается по направляющим окружностям различного радиуса. Поверхности, вершины которых совпадают с центром механизма, контактируют без зазора по прямым линиям и перекатываются друг по другу. Полости снабжены сужающимся в поперечном сечении горлом, разделяющим компрессорный и расширительный отсеки. Секции установлены симметрично плоскости, перпендикулярной оси корпуса, со смещением на 180 градусов. Изобретение направлено на повышение энергоэффективности. 1 з.п. ф-лы, 8 ил. 
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а также может быть использовано в компрессоростроении и насосостроении.
Известны роторно-волновые двигатели внутреннего сгорания, например роторно-волновой двигатель (патент России № 2155272) - объемная прямоточная машина, в которой установленный с минимальным зазором ротор совершает угловые колебания, образуя волны, перекатывающиеся по поверхности корпуса в компрессорном и расширительном отсеках. Однако сложность конструкции и большие осевые размеры ограничивают его применение.
Наиболее близким аналогом является роторно-волновой двигатель внутреннего сгорания (патент России № 2304225), содержащий секции со спиральными полостями и размещенными в них подобными качающимися лопатками. Однако объемы полости, заключенные между точками контакта проскальзывающих поверхностей полостей и лопаток, имеют зазор, обусловленный условиями проскальзывания, что определяет утечки газа и снижает энергоэффективность.
Целью изобретения является повышение энергоэффективности.
Согласно изобретению двигатель, содержит ротор, качающийся на кривошипе вала, вращающегося в опорах корпуса с помощью устройства ограничения вращения, снабжен секциями, составленными из полостей, выполненных в корпусе, и качающихся в них лопаток, установленных на роторе, полости, а также лопатки ограничены в осевом и радиальном направлениях поверхностями, которые в радиальном направлении выполнены кривыми с направляющими спиральными линиями, центры которых в полостях размещаются на оси вала, а на лопатках размещаются на оси кривошипа, включает компрессорный и расширительный отсеки, камеру сгорания с топливными форсунками и свечой зажигания, впускное и выпускное окна. Кривошип на валу установлен под углом, а с точкой пересечения осей вала и кривошипа совпадают центры спиральных направляющих линий циклических кривых поверхностей, которые выполнены путем движения окружности переменного радиуса по спиральной направляющей, спиральные направляющие полостей размещены в плоскости, перпендикулярной к оси вала, а в лопатках в плоскости, перпендикулярной к оси кривошипа, поверхности, ограничивающие полости и лопатки в осевом направлении, выполнены коническими, их вершины совпадают с точкой пересечения осей вала и кривошипа, оси конических поверхностей, ограничивающих полости, совпадают с осью вала, а оси конических поверхностей, ограничивающих лопатки, совпадают с осью кривошипа.
Согласно другому варианту в двигателе секции, составленные из полостей и лопаток, установлены симметрично центральной плоскости, проходящей через точку пересечения осей вала и его кривошипа, и повернуты относительно друг друга на 180 градусов, причем центральная плоскость для полостей перпендикулярна оси вала, а для лопаток перпендикулярна оси кривошипа.
Таким образом, двигатель, содержащий корпус и ротор, качающийся на кривошипе вала, вращающегося в опорах корпуса с помощью устройства ограничения вращения, снабженный секциями, составленными из полостей, имеющих отсекаемые объемы, смещающиеся по спирали, в виде камер нагнетания и камер сгорания в компрессорном и расширительном отсеках, в корпусе выполнены впускное и выпускное окна, установлены топливные форсунки и свечи зажигания, отличается тем, что ось кривошипа пересекает ось вала, точка пересечения осей является центром механизма, полости ограничены поверхностями, вершины которых совпадают с центром механизма, и поверхностями, полученными путем качания спиралей относительно центра механизма, при этом образующая спираль перемещается по направляющим окружностям различного радиуса, поверхности, вершины которых совпадают с центром механизма, контактируют без зазора по прямым линиям и перекатываются друг по другу, полости снабжены сужающимся в поперечном сечении горлом, разделяющим компрессорный и расширительный отсеки.
Секции установлены симметрично плоскости, перпендикулярной оси корпуса, со смещением на 180 градусов.
Изобретение поясняется чертежами, где: на фиг.1 представлено сечение двигателя; на фиг.2 - схема размещения спиральных поверхностей на фиг.1; на фиг.3 - схема прохождения волн в полости; на фиг.4 - сечение корпуса; на фиг.5 - сечение ротора; на фиг.6 - схема образования циклической поверхности; на фиг.7 - схема секции; на фиг.8 - секция в разрезе на фиг.7.
Двигатель содержит корпус 1 и ротор 2. Ротор 2 качается на кривошипе 3 вала 4, вращающегося в опорных узлах корпуса. Кривошип 3 установлен на валу 4 под углом, а точка пересечения их осей является центром качания. Качание ротора 2 поддерживается устройством ограничения вращениям, например коническим зубчатым зацеплением с одинаковыми параметрами зубчатых колес, с вершинами, совпадающими с точкой пересечения осей кривошипа 3 и вала 4. В корпусе 1 и в роторе 2 выполнены секции, составленные из полостей 6 и размещенных в них лопаток 7. Полости 6 и лопатки 7 ограничены коническими поверхностями 8 и циклическими спиральными поверхностями 9. Циклические поверхности получены путем движения образующей окружности переменного радиуса по направляющей спиральной линии. Практически такая поверхность может быть получена на многокоординатном станке. Для этого в системе координат XYZ размещается локальная система координат xyz, в которой вращается вал, подобный валу 4, с кривошипом, подобным кривошипу 3, установленным под углом. Ось вала совпадает с осью x системы xyz. Точка пересечения осей вала и кривошипа совпадает с точкой начала координат системы xyz. Точка на конце кривошипа совпадает с точкой режущей кромки инструмента и при вращении вала описывает окружность, которая является образующей циклической поверхности. Радиус образующей окружности изменяется в зависимости от положения точки режущей кромки на кривошипе. Расстояние l (l1, l2, l3 
) от точки пересечения осей вала и кривошипа до точки режущей кромки изменяется и соответствует текущему радиусу спиральной линии, которая является направляющей циклической поверхности. Система xyz вращается относительно оси у вместе с размещенными в ней вращающимся валом и резцом. Ось х занимает положения x1, х2, х3 . Вращение вала во вращающейся системе координат xyz и одновременный сдвиг режущей кромки по оси кривошипа позволяют получить необходимую циклическую поверхность. Вершины конических поверхностей 8 и центры спиральных направляющих циклических поверхностей 9 совпадают с точкой пересечения осей кривошипа 3 и вала 4. Конические поверхности 8 полостей 6 и лопаток 7 контактируют без зазора по образующим прямым линиям и перекатываются друг по другу. Циклические поверхности 9 полостей 6 и лопаток 7 проскальзывают по образующим окружностям. В полостях 6 и лопатках 7 выполнено горло, сужающееся в поперечном сечении, путем сближения циклических поверхностей 9. Горло разделяет компрессорный и расширительный отсеки. В нем размещена камера сгорания с форсунками и свечой зажигания. Поверхности 8 и 9 отсекают объемы полостей 6, которые в виде волн смещаются по спирали в компрессорном и расширительном отсеках. Волновые объемы в горле имеют минимальную величину и увеличиваются к периферийным концам полости 6, где они открываются и сливаются с атмосферой окружающей среды. Активными поверхностями, передающими давление сгорающих газов на вал, являются конические поверхности полостей и лопаток. Их площади к выпускному окну возрастают.
По второму варианту, с целью уравновешивания сил и удвоения момента сил на валу 4, секции установлены симметрично центральной плоскости, проходящей через точку пересечения осей кривошипа 3 и вала 4, и повернуты относительно друг друга на 180 градусов. Центральная плоскость симметрии полостей 6 перпендикулярна оси вала 4, а лопаток 7 перпендикулярна оси кривошипа 3.
Работает двигатель следующим образом. В опорах корпуса 1 вращается вал 4. На его кривошипе 3 качается ротор 2 с помощью устройства ограничения вращения 5. Лопатки 7 качаются в полостях 6. Конические поверхности 8 и циклические спиральные поверхности 9 точками контакта отсекают замкнутые волновые объемы в полости 6. Волны смещаются по спиральной полости 6 в направлении вращения вала 4 и меняют объем. Первоначально в компрессорном отсеке через впускное окно полость 6 имеет связь с окружающей средой. Во время смещения точек контакта взаимодействующих поверхностей полостей 6 и лопаток 7, сдвигающихся от впускного окна к камере сгорания, создается разрежение, а пространство, заключенное между точками контакта сопряженных поверхностей, заполняется воздухом. Волнообразные объемы в сужающемся горле уменьшаются, и происходит сжатие находящегося в них воздуха. В области горла в камеру сгорания впрыскивается топливо, которое поджигается свечой или, при достаточном давлении, самовоспламеняется. В расширительном отсеке волнообразные объемы увеличиваются по мере приближения к выпускному окну, газ расширяется и выходит в атмосферу. Энергия сгорающего топлива посредством активных конических поверхностей полостей и лопаток преобразуется в механическую энергию, создавая момент силы на валу 4.
Второй вариант исполнения, при котором секции установлены парами, симметрично центральной плоскости, со смещением по фазе на 180 градусов, позволяет получить подобный встречный поток, уравновешивающий осевые силы, действующие на ротор 2, и удваивающий момент сил на валу 4.
Эффективность двигателя определяется тем, что между контактирующими по образующим линиям перекатывающимися коническими поверхностями и проскальзывающими по образующим окружностям циклическими поверхностями полостей и лопаток отсутствует зазор. Площади активных конических поверхностей с приближением по спирали к выпускному окну увеличиваются. Текущий радиус спирали, на котором действует суммарная сила давления газов, увеличивается. Такие решения предотвращают утечки газа и повышают момент силы на валу.
1. Двигатель, содержащий корпус и ротор, качающийся на кривошипе вала, вращающегося в опорах корпуса с помощью устройства ограничения вращения, снабженный секциями, составленными из полостей, имеющих отсекаемые объемы, смещающиеся по спирали, в виде камер нагнетания и камер сгорания в компрессорном и расширительном отсеках, в корпусе выполнены впускное и выпускное окна, установлены топливные форсунки и свечи зажигания, отличающийся тем, что ось кривошипа пересекает ось вала, точка пересечения осей является центром механизма, полости ограничены поверхностями, вершины которых совпадают с центром механизма, и поверхностями, полученными путем качания спиралей относительно центра механизма, при этом образующая спираль перемещается по направляющим окружностям различного радиуса, поверхности, вершины которых совпадают с центром механизма, контактируют без зазора по прямым линиям и перекатываются друг по другу, полости снабжены сужающимся в поперечном сечении горлом, разделяющим компрессорный и расширительный отсеки.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что секции установлены симметрично плоскости, перпендикулярной оси корпуса, со смещением на 180°.
www.freepatent.ru
