Объемно-роторная машина

Джаншиев Сергей Иванович, Понятовский С.

http://www.i-mash.ru/uploads/posts/2011-09/1315810568_objemno-rotor-mashina_001.jpgСовременная промышленность выпускает огромное количество тепловых двигателей, которые представляют основу энергетического хозяйства.

Однако, технические параметры существующего парка не всегда устраивают производителей мобильных объектов, где экологичность, компактность, экономичность и ресурс являются определяющими техническими параметрами двигателя.

Как следует из многочисленных публикаций и патентных разработок, проблемы создания легкого, мощного и экономичного двигателя лежит видимо на пути освоения роторно-поршневой машины, детали которого практически не испытывают трения, не имеют возвратно поступательного движения, являясь при этом экономичной объемной машиной.

http://www.i-mash.ru/uploads/posts/2011-09/1315810588_objemno-rotor-mashina_002.jpgПервая схема роторно-поршневой машины в виде двигателя Ванкеля с 1957 года прошла путь от идеи до серийного выпуска и была установлена на автомобиль японской фирмы "Мазда" (модель RX8).

По ряду параметров она оправдала ожидания. Двигатель получился компактным и сравнительно экономичным.

К сожалению, ресурс двигателя довольно низкий, и это ограничивает его широкое применение.

Малый ресурс двигателя объясняется наличием в кинематической схеме эксцентрикового механизма расположенного в непосредственном контакте с камерой сгорания.

Высокая температура и большое давление между трущимися деталями способствуют быстрому износу двигателя, несмотря на повышенный расход масла.

К сожалению, этот недостаток является принципиальной особенностью двигателя Ванкеля и до сегодняшнего дня никаких приемлемых предложений по ее ликвидации не предложено.

http://www.i-mash.ru/uploads/posts/2011-09/1315810621_objemno-rotor-mashina_003.jpgДругой механизм роторного исполнения предполагаемый к установке в Ё-мобиле готовится к серийному выпуску в бизнес-структуре Михаила Прохорова.

В нем применена оригинальная кинематическая схема роторно-лопастного механизма, предложенная в 1973 году инженером Михаилом Степановичем Вигрияновым.

Схема позволяет четырем поршням, вращаясь вокруг общей оси, совершать все циклы присущие традиционному двигателю внутреннего сгорания.

Каковы будут его окончательные параметры пока говорить рано, но некоторые особенности можно анализировать, исследуя кинематическую схему.

Разработчик, продемонстрировав рабочую машину, доказал работоспособность предложенной схемы.

Как известно, отличительной особенностью роторного двигателя является отсутствие или значительная минимизация возвратно поступательной составляющей движения силовых узлов.

При возвратно поступательном движении возникают инерционные силы, которые ограничивают быстроходность двигателя.

Можно было бы предположить, что в двигателе Вигриянова вследствие вращения поршней отсутствует возвратно поступательное движение, и проблема с инерционными силами решается.

http://www.i-mash.ru/uploads/posts/2011-09/1315810630_objemno-rotor-mashina_004.jpgК сожалению, как видно из схемы, вращательное движение поршней не является равномерным. Имеет место торможение и разгон поршней со сложной схемой передачи усилий на вал, поэтому основной недостаток в виде инерционных сил все-таки присутствует.

Утверждение некоторых специалистов о том, что энергия движущейся массы заднего поршня передается переднему, словно после удара стальных шаров, не кажется убедительным. В случае удара поршней схема взаимодействия значительно сложней, здесь в процесс взаимодействия включено множество различных сил.

В конструкции имеются так же стопорные механизмы, сопротивление которых необходимо преодолевать с усилием, вызывающим износ деталей и невозвратный механизм, который, так или иначе, внесет свою отрицательную лепту.

Если инерционные силы окажутся сопоставимыми с поршневым двигателем, то конкурировать с ним, двигатель Вигриянова, скорей всего, не сможет ввиду своей сложности. Наличие электросиловой части не имеет принципиального значения, поскольку ее можно установить на любой двигатель.

Третий вид роторно-поршневого двигателя можно создать на основе патентов РФ №№ 91397, 99064.

В данном случае в кинематической схеме двигателя полностью устранена возвратно поступательная составляющая.

Поршень, сформированный на поверхности равномерно вращающегося ротора, так же как и в роторно-лопастном двигателе, может без смазки вращаться в корпусе.

Сгорание топливной смеси происходит в постоянном режиме, как и у газотурбинного двигателя. Компрессор и двигатель так же как у газотурбинного двигателя выделены в отдельные узлы, что способствует оптимизации компрессора и двигателя, испытывающих различные тепловые нагрузки.

Незначительное трение возникает только в опорных подшипниках качения, которые вынесены на периферию и при необходимости могут легко охлаждаться.

Двигатель состоит из двух роторно-поршневых машин собранных по трехфазной схеме.

Трехфазная схема сглаживает пульсации рабочего тела и упрощает балансировку ротора.

В случае двигателя внешнего сгорания рабочее тело может находиться под высоким давлением, а нагрев и охлаждение происходить в теплообменных узлах.

http://www.i-mash.ru/uploads/posts/2011-09/1315810632_objemno-rotor-mashina_005.jpgНаиболее простой вариант объемной роторной машины представляют шестеренчатые насосы (ШН), которые применяются во многих областях техники. Они хорошо зарекомендовали себя для перекачки всевозможных жидкостей с различной степенью вязкости, таких как вода, топливо, масла и т.д.

Шестеренчатые насосы, благодаря своей конструкции обладают, высокой эффективностью и длительным сроком службы.

Конструкция представляет собой корпус, в котором размещены две взаимно сцепленные шестерни. Между зубьями шестеренок и корпусом образуется пространство, которое заполняется перекачиваемой жидкостью. Вращаясь, шестеренки создают однонаправленный поток жидкости, движущийся в объеме между зубьями.

При приближении зубьев шестеренок к зоне зацепления свободный объем между зубьями уменьшается и поток выдавливается в выходное отверстие, а зубья, проворачиваясь, вновь оказываются в зоне входного отверстия, где поступающая жидкость заполняет расширяющееся пространство между зубьями.

Нетрудно заметить, что устройство представляет собой преобразователь вращательного движения шестеренок в поступательное движение потока жидкости. ШН от аналогичных машин, таких как винт или турбина отличается способностью создавать высокое давление, поскольку являются по существу объемной машиной.

Однако, преобразования вращательного движения рабочих элементов в поступательное движение потока с помощью шестеренчатого механизма при больших скоростях потока применяется довольно редко, несмотря на простоту конструкции.

Это объясняется тем, что высокая скорость потока, требует высокой скорости вращения шестеренок, вызывающих в зоне зацепления зубьев турбулентность, которая сопровождается энергетическими потерями. В свою очередь, турбулентность возникает вследствие того, что плоскость зуба имеющего плохую обтекаемость, в зоне зацепления меняет направление и относительно жидкости движется с большой скоростью.

Вследствие этого, ШН находит широкое применение в основном там, где не требуется высокой скорости потока, например в гидравлике. Исключение составляют пожарные насосы, где давление и скорость струи определяет длину шланга и дальность подачи воды.

Предложенная схема роторно-поршневого насоса на основе Патента РФ № 99064 также, по существу является шестеренчатым насосом, с той лишь разницей, что на поверхности шестеренки (ротора) сформирован только один зуб.

В этом случае переходный процесс, вызывающий турбулентность потока возникает на короткое время, что позволит машине работать на более высоких оборотах и со значительно меньшими потерями.

Схема роторно-поршневого насоса приведена на рисунке. Не трудно заметить, что практически нагрузка воспринимается только ротором, что так же благоприятно сказывается на работе машины.

Помимо этого, при соответствующих доработках предложенную схему можно применить и для создания других силовых машин (двигатель, компрессор, гидроагрегат и т. д.).