Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 214.

Роторно-волновой двигатель

Ни для кого не секрет, что 60-70 % теплоты, вырабатываемой в настоящее время двигателями внутреннего сгорания, просто выбрасывается в атмосферу. В будущем же энергетика уже не сможет мириться с такими огромными потерями. Тогда, несомненно, будут востребованы только те технические решения, которые смогут преодолеть основные недостатки известных тепловых машин.

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.

Игорь СЕДУНОВ

В 215 выпуске читайте: Инструмент для профессионала