РЛДВПТ‎ > ‎

Роторно–лопастные машины с внешним подводом теплоты

Воздействие на окружающую среду

Развитие и область применения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) приобрели в настоящее время всеобъемлющий характер. Многочисленные научные исследования и разработки превратили ДВС в сложнейшую и в то же время надежную и универсальную систему. В то же время опыт длительной эксплуатации в составе транспортных средств выявил недостатки, которые практически невозможно исключить путем модернизации конструкции двигателя не затронув базовых принципов его организации, таких как механические потери на трение и процесс внутреннего сгорания топлива.

Главным недостатком ДВС, который в результате массового распространения автомобильного транспорта занял лидирующее положение, стал фактор загрязнения окружающей среды выхлопными газами. Доля вредных веществ, поступающих в атмосферу с отработанными газами автомобильных двигателей, составляет до 63% от общего загрязнения окружающей среды. В связи с этим в последние десятилетия в мире ужесточаются требования к экологическим нормам для транспортных средств, и в первую очередь это касается двигателей внутреннего сгорания [1]. ДВС, потребляя пятую часть первичных энергоносителей [2], являются основным источником загрязнения окружающей среды непосредственно в зоне дыхания человека [3]. Однако планируемые меры, даже в случае их полной реализации, способны лишь снизить темпы увеличения загрязняющего действия ДВС, прежде всего транспортных средств, на фоне быстрого роста их количества и мощности.

Таким образом, назрела необходимость производства принципиально иного двигателя, способного кардинально изменить ситуацию, работающего на различных видах топлива и не имеющего вредных выбросов в атмосферу. В связи с этим можно предъявить следующие требования к современным двигателям:
  • Уменьшить количество токсичных выбросов
  • Уменьшить выброс тепла в атмосферу 
  • Снизить металлоемкость двигателя 
  • Уменьшить шум и вибрации 
  • Использовать для работы двигателя любой вид топлива, в том числе водород 
  • Использовать возобновляемые источники энергии


Двигатели с внешним подводом тепла

По критерию экологичности, использования любого вида топлива, наилучшими характеристиками обладает двигатель с внешним подводом тепла (ДВПТ), реализующий цикл Стирлинга. Внешний подвод тепла позволяет применять различные тепловые источники без каких-либо существенных изменений конструкции двигателя. Практически все виды ископаемого топлива от твердых до газообразных могут быть использованы в подобных двигателях. 

Для оценки уровня токсичности двигателя с внешним подводом тепла на рисунке приведены удельные выделения токсичных веществ в этом двигателе, в дизеле, газовой турбине и карбюраторном двигателе.



Рассмотрим основные преимущества двигателей с внешним подводом тепла (внешнего сгорания).

Термический КПД равен КПД цикла Карно и с учетом достигнутых в настоящее время температур составляет около 60%. В двигателе внешнего сгорания снимаемая с вала мощность регулируется путем изменения давления рабочего тела во внутренних полостях двигателя. В то же время температуры нагревателя и охладителя автоматически поддерживаются постоянными. Следовательно, при изменении мощности и частоты вращения вала граничные температуры и их отношения остаются постоянными. Благодаря этому экономичность двигателя при работе на неноминальном режиме меняется незначительно. Двигатель внешнего сгорания, имеющий большое давление рабочего тела во внутренних полостях и достаточно высокую температуру трубок нагревателя, легко пускается при любой температуре окружающей среды. Его пуск зависит исключительно от надежности, с которой может быть воспламенено топливо в камере сгорания.

Так как двигатель внешнего сгорания полностью герметичен, то пыль, попадающая в воздушный заряд камеры сгорания из окружающего пространства, не поступает в цилиндры и картер. Вследствие этого отсутствует дополнительный абразивный износ движущихся деталей механизма привода.

Моторесурс двигателя внешнего сгорания определяется скоростью наступления предела ползучести материала деталей нагревателя, работающих при высокой температуре. В общем случае любой двигатель внешнего сгорания может гарантированно выдерживать кратковременную 50–80%-ную перегрузку без заметного снижения долговечности [4], так как температура деталей остается неизменной.
Внешнее сгорание происходит непрерывно и не имеет взрывного характера, благодаря чему при сгорании и выпуске шум почти не генерируется. Кроме того, давление в цилиндрах двигателя внешнего сгорания изменяется плавно, практически по синусоидальному закону. Впускные и выпускные клапаны, а также механизм газораспределения отсутствуют. Уровень шума этого двигателя в среднем на 20–30 дБ ниже, чем дизеля такой же мощности.

Основываясь на вышесказанном можно сказать, что в области создания двигателей возникло техническое противоречие: с одной стороны мы имеем компактные и дешевые двигатели внутреннего сгорания, а с другой массивные и дорогие в изготовлении двигатели с внешним подводом теплоты.



Проблемы создания двигателей с внешним подводом тепла


Рассмотрим недостатки поршневого двигателя Стирлинга. Во первых, это сложность конструктивного исполнения отдельных узлов, проблемы в области уплотнений, регулирования мощности и т.д. Особенности конструктивного исполнения обуславливаются применяемыми рабочими телами. Так, например, гелий обладает сверхтекучестью, что определяет повышенные требования к уплотняющим элементам рабочих поршней, штока вытеснителя и т.д. Во вторых формирование облика перспективных, предполагаемых к производству машин Стирлинга невозможно без разработки новых технических решений основных узлов. Третья проблема – это высокий уровень технологии производства.

Данная проблема связана с необходимостью применения в машинах Стирлинга жаростойких сплавов и цветных металлов, их сварки и пайки. Отдельный вопрос – изготовление регенератора и насадки для него для обеспечения с одной стороны высокой теплоемкости, а с другой стороны – низкого гидравлического сопротивления. Все это требует высокой квалификации рабочего персонала и современного технологического оборудования. На рисунке представлены основные проблемы, возникающие при создании высокоэффективных поршневых машин Стирлинга и сдерживающие до сих пор их широкое применение в различных областях техники [6].

Прежде всего, это создание адекватной математической модели проектируемой машины Стирлинга и соответствующего метода расчета. Сложность расчета проектируемой машины определяется сложностью реализации термодинамического цикла Стирлинга в реальных машинах, что обусловлено нестационарностью тепломассового обмена во внутреннем контуре, ввиду непрерывности движения поршней. Отсутствие адекватных математических моделей и методов расчета являются главными причинами неудач ряда известных зарубежных фирм и отечественных предприятий, пытавшихся без серьезной научной проработки, только за счет приблизительного расчета и экспериментальных доводок решить вопрос создания как двигателей, так и холодильных машин Стирлинга. В настоящее время сколько фирм, столько и методов расчета машин Стирлинга, при этом сами методы расчета являются коммерческой тайной.
Зарубежный опыт создания современных высокоэффективных машин Стирлинга показывает, что без точного математического моделирования рабочих процессов и оптимального конструирования основных узлов, доводка проектируемых машин превращается в многолетние изнурительные экспериментальные исследования.


Роторно-лопастная машина

Принцип работы роторно-лопастного двигателя известен со второй половины XIX века. Роторно-лопастной двигатель, содержит два ротора с лопастями и цилиндр с “впускными” и “выпускными” окнами. В двигателе предусмотрен механизм связи, позволяющий роторам совершать движение друг относительно друга и вращательно колебательное движение относительно цилиндра, а также механизм, позволяющий суммировать движение роторов и передать равномерное вращение выходному валу.

rotor_anim.gif (500×390)





Коэффициент компактности основного объёма роторно-лопастного двигателя (отношение эквивалентного рабочего объёма к объёму двигателя) достигает 15-20% в то время как максимальное значение этого показателя для поршневых (V - образных с кривошипно-шатунным механизмом) составляет 1-2%. Столь большое (в несколько раз) преимущество по удельно-массовым показателям открывает перспективы применения двигателей данной схемы.

Предложенная конструктивная схема роторно–лопастного двигателя имеет ряд преимуществ по сравнению с шатунно–поршневым двигателем.

Сравнительные характеристики  роторно-лопастных (РЛД) и 
шатунно-поршневых (ШПД) двигателей



Основные принципы

Основной идеей является создание нового двигателя, соединяющего в себе преимущества роторно-лопастной расширительной машины и принципа внешнего подвода теплоты. Данный синтез явился следствием тщательного анализа современных конструктивных вариантов двигателей с выявлением достоинств и недостатков каждого.

В основе конструкции роторно-лопастной машины лежит четырехзвенный механизм преобразования движения. Механизм состоит из четырехзвенника и кулачка. Четырехзвенник состоит из шарнирно связанных плеч одинаковой длины. К серединам плеч шарнирно закреплены рычаги лопастей. Механизм обеспечивает основные функциональные требования к преобразователю движения. Закон изменения угла между лопастями синусоидальный. Графики скоростей и ускорений лишены резких скачков, поэтому достигается плавность и безударность работы механизма. Конструкция лишена недостатков, связанных с использованием зубчатых колес. Простота изготовления определяется отсутствием сложных прецизионных деталей, сферических шарниров и т. п., наличием однотипных элементов. Механизм реверсивен, обратим, уравновешен, что расширяет функциональные возможности двигателя, спроектированного на его основе.


Число рабочих тактов при одном обороте выходного вала равно четырем, в то время, как для шатунно-поршневого ДВС оно равно двум. Равенство продолжительности рабочих тактов на одном обороте выходного вала обеспечивается симметричной конструкцией механизма преобразования. Степень сжатия рабочего тела зависит от диапазона изменения угла между лопастями. Для данного механизма она ограничивается лишь конструктивными и прочностными параметрами для реального механизма.



Конструктивно двигатель состоит из двух модулей каждый из которых состоит из лопастной группы и механизма преобразования движения. Модули жестко соединены между собой и повернуты друг относительно друга на 45 град. В конструкции для нагревания и охлаждения рабочего тела должны быть предусмотрены нагреватель и охладитель.



Более подробно устройство роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты приведено в разделе "Описание конструкции".


Результаты научно-исследовательской работы

В 2007 году ППИ выиграл конкурс в рамках Федеральной целевой программы и заключил государственный контракт №02.516.11.6031 с Федеральным агентством по науке и инновациям на проведение научно-исследовательских работ на тему «Разработка математической модели протекания термодинамического цикла с внешним подводом теплоты, позволяющей создать экологически чистый двигатель роторно-лопастного типа».

Результатом работы явилось создание методики расчета и проектирования РЛД с внешним подводом теплоты (РЛДВПТ), в частности созданы математические модели отдельных узлов двигателя: механизма преобразования движения, роторно-лопастной группы, а также математическая модель, подтверждающая возможность реализации термодинамического цикла с внешним подводом теплоты в РЛД. Для проведения экспериментальных исследований были созданы и исследованы макет механизма преобразователя движения и макет камеры сгорания. Полученные результаты явились доказательной базой правильности теоретических расчетов.
        

  1. Разработана и проведена компоновочная схема РЛДВПТ, обладающая новизной конструкций роторно-лопастной группы и преобразователя движения. Данная схема наиболее точно отвечает требованиям к организации и реализации термодинамического цикла с внешним подводом теплоты и процесса преобразования движения лопаток в движение выходного вала двигателя.
  2. Разработан алгоритм расчета и проектирования РЛДВПТ.
  3. Разработана методика термодинамического расчета двигателя, включающая:
    • вывод аналитических выражений для расчета изменения объемов камер двигателя и для тактов термодинамического цикла и для индикаторных показателей цикла с учетом разных значений политропы сжатия и расширения;
    • рекомендации по выбору рабочего тела;
    • числовой расчет термодинамического цикла на примере двигателя мощностью 300 кВт с использованием углекислого газа в качестве рабочего тела;
    • методику расчета моментов от газовых сил на лопатках и выходном валу двигателя с примером расчета для двигателя мощностью 300 кВт;
    • термодинамический расчет предваряет остальные расчеты двигателя.
    1. Разработана методика кинематического расчета двигателя по которой вначале синтезируется рычажно-кулачковый механизм преобразования движения и, затем, производится его кинематический анализ. В основе расчетов лежит полученная и запатентованная (заявка на патент «Механизм для преобразования движения» №2007136002 от 01.10.2007) формула для теоретического профиля кулачка. Именно такой профиль кулачка обеспечивает движение звеньев механизма по гармоническому закону и, тем самым, безударную работу двигателя.
    2. В реальном механизме преобразования движения вершины ромбоида и кулачок снабжены роликами. Дается решение задачи синтеза и конструирования реального механизма преобразования движения.
      Результатами разработанной методики кинематического анализа синтезированного механизма являются полученные в работе аналитические выражения: для угла между осями лопаток; для углов поворота лопаток; для угловых скоростей и ускорений звеньев; для линейных скоростей и ускорений характерных точек механизма.
      Кинематические расчеты необходимы как на стадии предварительной компоновки двигателя, так и на стадии окончательных динамических, силовых и прочностных расчетов двигателя.
      • Разработана методика динамического расчета двигателя, основанная на последовательном применении полученных соотношений для плеча момента реакции кулачка, для действующего на маховик крутящего момента, для реакций кулачка, а также дифференциальных уравнений движения одномодульного и двух модульного двигателя. Эти соотношения и уравнения необходимы для расчета момента инерции маховика, обеспечивающего заданную степень неравномерности хода, а также в силовом и прочностном расчетах.
      • Разработана конструкция тороидальных лопаток, позволяющая применять в качестве уплотнений стандартные поршневые кольца. Предложена конструкция герметизации рабочего объема с помощью сильфонных уплотнений. Предложена конструкция крепления лопатки к диску, обеспечивающая отсутствие контакта лопатки и цилиндра.
    3. Получены аналитические выражения: для расчета нагрузок на подшипники роторов, на лопатки и на диски; для расчета коэффициентов концентрации напряжений; для расчета мощностных потерь на трение в роторно-лопастной группе.
      • Составлена расчетная схема и построена диаграмма моментов, действующих на маховики и вал двухмодульного двигателя. Приведена методика расчета крутящего момента на маховике и диаметра вала, а также отстройки системы от резонансных крутильных колебаний. Сконструирована ступица маховика.
      • Разработана методика расчета роликов кулачка и ромбоида, в основе которой лежат полученные аналитические выражения для нагрузок на ролики. Разработана конструкция кулачка, снабженного роликами. Сформулированы требования к точности изготовления.
      • Составлена расчетная схема и построена диаграмма сил и моментов, действующих на детали группы линейных подшипников. Выведены аналитические выражения для этих сил и моментов. Получены соотношения для расчета характерных размеров деталей из условия прочности при переменных нагрузках.
    4. По приведенной методике выполнен числовой расчет пальца и направляющего стержня, а также подобран линейный подшипник качения.
      • Составлена расчетная схема ромбоида и выполнен силовой анализ. Получены аналитические выражения для расчета поперечных и продольных сил в звеньях, а также соотношения для расчета размеров звена из условий прочности и устойчивости. Выполнен числовой расчет и приведен чертеж звена.
      • Предложена принципиально новая схема системы подвода тепла и охлаждения для реализации цикла с внешним подводом теплоты в роторно-лопастной машине, отличительной особенностью которой является то, что рабочее тело циркулирует в замкнутом контуре в одном направлении ( в известных схемах рабочее тело циркулирует возвратно-поступательно).
    5. Выработаны рекомендации по выбору типа теплообменника. Разработана конструкция нагревателя. Разработана методика расчета теплопередачи в нагревателе.
      • Разработана система смазки двигателя, в которой исключается из конструкции дорогостоящие уплотнения и не происходит закоксовывания масла при воздействии высоких температур. Приведены рекомендации по выбору типа масла.
      • Предложены конструкции рабочей камеры, корпуса и элементов установки и крепления, приведены рекомендации по определению размеров деталей, выбору материалов и точности изготовления.
      • Разработаны структурные схемы и математические модели следующих процессов: камеры сгорания, нагревателея, динамика термодинамических процессов.