Двигатель

Двигатель

Реферат

 

Использование: энергетическое машиностроение и может быть использовано в гидро-, газо- и паротурбинах, роторных двигателях, двигателях внутреннего сгорания, устройствах для измерения расхода текучей среды. Сущность изобретения: двигатель содержит корпус 1, подводящий 3 и отводящий 4 патрубки, рабочее колесо 5 и лопатки 6, выполненные в виде непрерывных винтовых поверхностей, охватывающих колесо 5 по всей окружности и расположенных в кольцевом канале 2 корпуса 1. Проточная часть двигателя имеет форму бесконечного, замкнутого одного или многозаходного винтового канала, осью закрутки служит окружность 9, проходящая по плоскости кольцевого канала 2, а центр окружности находится на оси 10 вращения колеса. При использовании устройства в качестве двигателя внутреннего сгорания на периферии корпуса выполнены отверстия, входящие в кольцевой канал, в которые установлены свечи зажигания. Рабочее тело движется по винтовым каналам и непрерывно воздействует на лопатки 6 на всем пути от входа к выходу, обеспечивая вращение колеса. В двигателях внутреннего сгорания в проточную часть вводится горючая смесь, которая воспламеняется от электрической искры. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в гидро-, газо- и паротурбинах, роторных двигателях внутреннего сгорания и устройствах для измерения расхода текучей среды.

Известны конструкции паро-, газо- и гидротурбины, в которых рабочее тело воздействует на лопатки рабочего колеса лишь в зоне ввода рабочего тела (РТ) в корпус турбины, а затем выводится из зоны энергообмена. В таких устройствах кинетическая энергия рабочего тела расходуется неэффективно, что снижает КПД гидродвигателя.

Известен двигатель с фиксационным приводом, в котором РТ отдает за счет сил трения части своей кинетической энергии вращающемуся ротору [3] Недостатком такого двигателя является низкий КПД, т.к. взаимодействует РТ с дисками ротора ограничено лишь частью пути, совершаемого РТ с проходном канале двигателя.

Известна вихревая турбина, в которой РТ совершает движение по винтовым линиям и многократно воздействует на лопатки рабочего колеса [2] Недостатком такой конструкции является низкий КПД, т.к. значительная часть своего пути по винтовым каналам РТ проходит в корпусе и не воздействует на лопатки рабочего колеса.

Известны вихревые машины, в которых за счет различных устройств организуется устойчивое вихревое движение РТ по всей длине кольцевого канала и за счет этого повышается КПД машины [1, 4 7] Известен роторный двигатель, в котором для интенсификации энергообмена между лопатками и рабочим телом ротор выполнен в виде бесконечного гибкого элемента с закрепленными на нем лопатками. В таком устройстве РТ взаимодействует с лопатками на всем пути своего движения в проточной части двигателя, что повышает КПД двигателя [8] Недостатком такого устройства является сложность конструкции.

Известен роторный мотор, в котором рабочее тело совершает движение по винтовым каналам рабочего колеса и взаимодействует со спиральной лопастью по всей длине проточной части [9] Недостатком такого устройства является то, что составляющая скорости РТ, направленная вдоль оси вращения, не участвует в полезном энергообмене и лишь создает осевое давление на опоры колеса. В результате КПД машины снижается. Это решение является наиболее близким к заявленному.

Изобретение направлено на устранение выше отмеченных недостатков известного и от его использования может быть получен следующий технический результат: повышение экономичности двигателя путем интенсификации энергообмена между лопатками и рабочим телом, упрощение конструкции и повышение надежности двигателя.

Указанный технический результат достигается за счет того, что двигатель содержит корпус с рабочим кольцевым каналом, имеющим в радиальном сечении форму круга или эллипса, патрубок для подвода рабочего тела в кольцевой канал, патрубок для отвода РТ из кольцевого канала, рабочее колесо, установленное в корпусе с возможностью вращения, на периферийной или боковой поверхности которого расположены криволинейные лопатки, размещенные в кольцевом канале и образующие совместно со стенками кольцевого канала проточную часть двигателя.

Особенность изобретения в том, что лопатки выполнены в виде непрерывных винтовых поверхностей, охватывающих периферийную или боковую поверхность колеса по всей окружности и соединенных с колесом в точках касания витками поверхности колеса. При этом осью закрутки винтовых лопаток является линия, совпадающая с осевой линией кольцевого канала корпуса. Проточная часть имеет форму замкнутого одно- или многозаходного винтового канала. Поэтому рабочее тело совершает винтообразное движение в проточной части двигателя, т.е. участвует в двух вращательных движениях: вращаясь вокруг оси закрутки винтовых лопаток и вокруг оси вращения рабочего колеса. Рабочим телом для заявленного изобретения может служить газ, вода, пар, горючая смесь и продукты ее горения.

Необходимое условие функционирования двигателя особая форма лопаток, место и направление ввода рабочего тела в проточную часть и взаимное расположение подводящего и отводящего патрубков. Выполнение лопаток непрерывными винтовыми позволяет организовать устойчивое вихревое движение рабочего тела и полезный энергообмен между ним и лопатками на всем пути движения РТ в проточной части двигателя от входа до выхода его из кольцевого канала, а длину этого пути довести до максимально возможного за счет максимального удаления отводящего патрубка от подводящего патрубка по направлению вращения.

Остальные признаки заявленного двигателя частные, поскольку характеризуют лишь конкретное выполнение того или иного узла двигателя.

На фиг. 1 показан предлагаемый двигатель; на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1 на фиг. 3-5 сечения Б-Б на фиг. 1; на фиг. 6 кинематическая схема; на фиг. 7 схема варианта двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель состоит из корпуса 1, внутри которого выполнен рабочий кольцевой канал 2, имеющий в радиальном сечении форму круга или эллипса, патрубка 3 для подвода рабочего тела в кольцевой канал, патрубка 4 для отвода рабочего тела из кольцевого канала и рабочего колеса 5, установленного в корпусе с возможностью вращения. На периферийной или боковой поверхности колеса выполнены одна или несколько криволинейных лопаток 6, расположенных в кольцевом канале 2 корпуса. Лопатки 6 выполнены в виде непрерывных винтовых поверхностей, скрученных в спираль вокруг стержня 7 и охватывающих колесо 5 по всей окружности наружной кромки колеса. В точках 8 касания витков поверхности колеса лопатки жестко прикреплены к колесу. Линия 9, вокруг которой закручены винтовые лопатки 6, представляет собой окружность, радиус которой равен расстоянию от центра кольцевого канала 2 до оси 10 вращения колеса 5 или может быть больше (меньше) этого расстояния.

Подводящий патрубок 3 прикреплен к боковой поверхности корпуса 1 в зоне кольцевого канала 2 так, что его сопло направлено на поверхность лопатки, расположенную на противоположной по отношению к направлению вращения колеса 6 стороне, а ось О₁ О₁ сопла составляет с направлением А-А закрутки винтовой лопасти острый угол , значение которого находится в пределах 0 <a <(90^{- b ).}

Отводящий патрубок 4 прикреплен к боковой поверхности корпуса 1 с противоположной от подводящего патрубка стороне, а его ось О₂ - О₂ направлена по направлению винтовой лопасти.

Во всех случаях использования заявленного устройства в энергетических установках (кроме гидротурбин) место крепления подводящего 3 и отводящего 4 патрубков выбирается из конструктивных соображений, при этом расстояние от подводящего патрубка 3 до отводящего патрубка 4 по направлению вращения колеса 5 должно быть максимально возможным.

При использовании устройства в гидротурбинах подводящий патрубок крепят к верхней части корпуса, а отводящий к нижней.

Двигатель работает следующим образом.

Рабочее тело, введенное через подводящий патрубок 3 в кольцевой канал 2 корпуса под острым углом к направлению закрутки винтовых лопаток 6, воздействует первоначально на расположенную напротив патрубка 3 часть поверхности лопатки 6 и попадает в винтовой канал, преобразуя таким образом часть своей энергии во вращательное движение колеса 5. В дальнейшем рабочее тело движется по винтовым каналам совместно с колесом, вращаясь вокруг оси 9 закрутки винтовых лопаток 6 и вращаясь вокруг оси 10 вращения колеса. При этом за счет большей окружной скорости движения рабочего тела по кольцевому каналу в сравнении с окружной скоростью движения наружной кромки колеса происходит полезный энергообмен на всем пути движения рабочего тела до выхода его из проточной части через отводящий патрубок 4. При возникновении дополнительного сопротивления вращению колеса окружная скорость его уменьшается, а относительная скорость обтекания рабочим телом лопаток возрастает, что приводит к увеличению крутящего момента на валу колеса и преодолению дополнительного сопротивления, т. е. имеет место автоматическое приспособление двигателя к условиям работы устройства, в котором он используется.

Участие рабочего тела в двух вращательных движениях приводит к периодическому изменению состояния рабочего тела в зависимости от места нахождения каждого элементарного объема рабочего тела в проточной части. В периферийной части винтового канала (точка M) (фиг. 6) за счет сложения центробежных сил P₁ и P₂ рабочее тело сжимается, а в корневой части (точка N) из-за действия сил P₃ и P₂ в разных направлениях рабочее тело расширяется, где P₁ центробежная сила, возникающая в точке M от вращательного движения PT вокруг оси 10 с угловой скоростью w₁; P₂ центробежная сила, возникающая в точке M и N от вращательного движения PT вокруг оси 9 с угловой скоростью ₂; P₃ центробежная сила, возникающая в точке N от вращательного движения PT вокруг оси 9 с угловой скоростью ₁.

Этот эффект цикличности может быть использован для создания на базе заявляемого двигателя двигателя внутреннего сгорания.

На фиг. 7 показана принципиальная схема варианта двигателя внутреннего сгорания с заявленным устройством. Он состоит из известных конструкций компрессора 11, топливного бака 12, смесительной камеры 13 и заявленного устройства 14, на корпусе которого в зоне кольцевого канала 2 установлены свечи зажигания 15, подключенные к известной в технике системе зажигания.

Двигатель работает следующим образом.

Сжатый воздух от компрессора 11 и топливо из бака 12 поступают в смесительную камеру 13. В результате распыла и перемешивания его с воздухом образуется горючая смесь, которая поступает через патрубок 3 в кольцевой канал 2. Двигаясь по винтовым каналам проточной части заявленного двигателя 14, смесь интенсивно перемешивается и воспламеняется от электрического разряда одной или нескольких свечей зажигания 15. В результате расширения продукты сгорания движутся ускоренно по винтовым каналам проточной части двигателя и обеспечивают вращение рабочего колеса 5. Изменяя количество и качество подаваемой горючей смеси, можно изменять силовой и скоростной режим двигателя.

Формула изобретения

1. Двигатель, содержащий корпус, внутри которого выполнен кольцевой канал, патрубки для подвода и отвода рабочего тела, рабочее колесо, установленное в корпусе с возможностью вращения, на периферийной части которого выполнены криволинейные лопатки, расположенные в кольцевом канале и образующие совместно со стенками кольцевого канала проточную часть двигателя, отличающийся тем, что лопатки выполнены в виде непрерывных винтовых поверхностей, охватывающих колесо по всей окружности и соединенных с колесом в точках касания витками лопаток поверхности колеса, а проточная часть имеет форму бесконечного замкнутого одно- или многозаходного винтового канала, осью закрутки которого является окружность, проходящая по полости кольцевого канала, при этом центр окружности находится на оси вращения колеса.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что кольцевой канал в радиальном сечении и проекция лопатки на плоскость радиального сечения имеют форму круга.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что кольцевой канал в радиальном сечении и проекция лопатки на плоскость радиального сечения имеют форму эллипса.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что сопло подводящего патрубка направлено на поверхность лопасти, расположенную на противоположной по отношению к направлению вращения колеса стороне, а ось сопла составляет с направлением закрутки винтовой лопасти острый угол.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на периферийной части корпуса выполнены отверстия, выходящие в кольцевой канал, в которые установлены свечи зажигания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7