Роторно-лопастной турбореактивный двигатель внутреннего сгорания “гаромар-3″

(51)7 01 1/39 ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(76) Мухаметжанов Гали Муратович Кухарский Марек Тадеушевич Мухамбетжанова Роза Муратовна(54) РОТОРНО-ЛОПАСТНОЙ ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ГАРОМАР-3(57) Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания. Техническим результатом является улучшение очистки камер сгорания от отработанных газов перед тактом всасывания. Это достигается тем, что в роторно-лопастном двигателе внутреннего сгорания, включающем корпус с торцевыми крышками, ротор, эксцентрично расположенный в корпусе, шарнирно закрепленные на роторе лопасти вогнутой формы со штифтами,для которых по периферии торцевых крышек корпуса выполнены направляющие пазы, корпус выполнен в виде незамкнутого пустотелого цилиндра с головкой, имеющей вид пластины, закрепленной на продольных краях корпуса, в головке расположены впускные окна, а ее внутренняя поверхность выполнена выпуклой, одна из торцевых крышек снабжена полым стаканом, размещенным соосно ротору, в котором на валу установлена турбина для привода вспомогательного оборудования, в стенке стакана выполнены отверстия в виде сопел, направленных к турбине, ротор имеет осевую цилиндрическую полость, в которой размещен стакан торцевой крышки,а в стенке ротора, под каждой лопастью, выполнены отверстия в виде сопел, направленных внутрь полости. 12875 Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания и может использоваться в транспортном машиностроении (автомобильной,тракторной, судостроительной, тепловозостроительной,авиационной,а также дорожностроительной, сельскохозяйственной, энергетической и других отраслях промышленности). Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания предназначается для использования на всех видах и типах транспортных средств (автомобили, трактора,тепловозы, речные, морские и океанские суда, самолеты и вертолеты, мотоциклы и мотороллеры), а также на электростанциях, строительно-дорожных машинах, механизмах, зерноуборочных и других сельскохозяйственных комбайнах и сельхозмашинах и т. д. Известны двигатели внутреннего сгорания, такие, как поршневые, реактивные, турбореактивные,газотурбинные,роторно-поршневые,роторнолопастные и др. Наиболее близким к изобретению является роторно-лопастной двигатель ГАРОМАР(патент К 8538, кл. 02 53/00, 2000), который взят за прототип. Он включает корпус с цилиндрической внутренней поверхностью с впускными и выпускными окнами, с двумя торцевыми крышками, запальную свечу и ротор с шарнирно закрепленными на нем вогнутыми лопастями, установленный внутри пустотелого цилиндра корпуса эксцентрично его оси. При такой конструкции роторнолопастной двигатель является малодетальным, малогабаритным и неметаллоемким и обладает преимуществом в ряде технических характеристик, в частности, по мощности и по топливной экономичности. А это достигается за счет выпукло-вогнутых лопастей, обращенных выпуклой стороной по ходу вращения ротора, воспринимающих давление на вогнутую сторону лопастей. Но наряду с этим его конструкция имеет недостаток, обусловленный системой выпуска отработанных газов, где при такте выпуска идет неполное очищение межлопастной полости (камеры сгорания) от продуктов горения,поскольку выход отработанных газов происходит при достижении первой лопастью выпускных окон за счет центробежной силы и вращательного вихревого потока этих газов и выталкивания их последующей движущей лопастью ротора, а не за счет уменьшения до минимума объема межлопастной полости (камеры сгорания). При такой конструкции происходит неполное очищение межлопастной полости (камеры сгорания) от отработанных газов, не позволяющее создавать при последующем такте всасывания чистой и качественной воздушнотопливной смеси, что ведет к некоторому недополучению мощности двигателя и ухудшению его топливной экономичности. Задачей изобретения является разработка конструкции двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающего повышение его удельной мощности, экономичности и энергоресурса за счет улучшения очистки его камер сгорания от отработанных газов перед тактом всасывания. 2 Это достигается тем, что в роторно-лопастном двигателе внутреннего сгорания, включающем корпус, ротор, эксцентрично расположенный в корпусе,шарнирно закрепленные на роторе лопасти вогнутой формы со штифтами, для которых по периферии торцевых крышек корпуса выполнены направляющие пазы, корпус выполнен в виде незамкнутого пустотелого цилиндра с головкой, имеющей вид пластины, закрепленной на продольных краях корпуса, в головке расположены впускные окна, а ее внутренняя поверхность выполнена выпуклой, одна из торцевых крышек снабжена полым стаканом,размещенным соосно ротору, в котором на валу установлена турбина для привода вспомогательного оборудования, в стенке стакана выполнены отверстия в виде сопел, направленных к турбине, ротор имеет осевую цилиндрическую полость, в которой размещен стакан торцевой крышки, а в стенке ротора, под каждой лопастью, выполнены отверстия в виде сопел, направленных внутрь полости. Такая конструктивная взаимосвязь корпуса в виде незамкнутого цилиндра, головки корпуса, двух торцевых крышек и ротора позволяет при такте выпуска полностью очищать от отработанных газов межлопастную полость и создавать более полное разреженное пространство для следом идущего такта всасывания, в результате чего повышается удельная мощность на один килограмм массы двигателя,происходит более экономное расходование топлива,значительно возрастает энергоресурс двигателя. Изобретение поясняется следующими чертежами и рисунками на фиг. 1 показаны этапы работы роторно-лопастного турбореактивного двигателя ГАРОМАР-3, на фиг. 2 - его устройство, на фиг. 3 общий вид двигателя в аксонометрии, на фиг. 4 отдельные детали двигателя в аксонометрии, в частности торцевая крышка со стаканом и ротор с шарнирно закрепленными на нем вогнутыми лопастями. Роторно-лопастной турбореактивный двигатель ГАРОМАР-3 состоит из корпуса, ротора с лопастями, запальной свечи, турбины с многоступенчатыми лопатками и вытяжного вентилятора (фиг. 2 и 3). Корпус двигателя (фиг. 2) представляет собой пустотелый, незамкнутый цилиндр 1, к которому присоединены головка корпуса 2 и две торцевые крышки 3 и 4. Незамкнутый пустотелый цилиндр 1 имеет на концах срезы, на которых крепится головка корпуса 2. Головка корпуса 2 с имеющимися в ней впускными окнами 8 имеет внутреннюю плавную выпуклость, обращенную в сторону центра незамкнутого цилиндра. Поверхность среза головки корпуса 2 совмещается с поверхностью среза незамкнутого цилиндра 1. При этом внутренняя поверхность корпуса плавно смыкается с внутренней поверхностью головки. Одна из торцевых крышек корпуса 3 имеет с внутренней стороны стакан, полый, открытый со стороны крышки, ось которого совмещена с осью ротора. Он выполнен заодно с торцевой крышкой(возможен вариант отдельно выполненного стакана 12875 с креплением его к торцевой крышке корпуса). На одной стороне стенки этого стакана расположены по одной линии отверстия - направляющие сопла 9. На днище стакана впрессован подшипник (шариковый, роликовый или др.), сидящий на валу турбины вспомогательного оборудования. Вторая торцевая крышка корпуса (фиг. 2) 4 имеет эксцентрично расположенное внутреннее отверстие, ось которой совпадает с осью ротора и стакана другой торцевой крышки корпуса 3. Обе торцевые крышки корпуса 3 и 4 повторяют форму поперечного сечения незамкнутого цилиндра 1 с присоединенной к ней (т. е. в сборе) головкой 2. На обеих торцевых крышках корпуса 3 и 4, на их внутренних поверхностях, выполнены кольцевые направляющие пазы-канавки 10 для штифтов лопастей ротора 11. Они проходят по контуру стыкования торцевых крышек корпуса 3 и 4 с корпусом 1 и головкой корпуса 2 с некоторым отступлением от краев. На одной из торцевых крышек корпуса имеется отверстие для установки запальной свечи 19 или топливной форсунки для двигателя с самовоспламенением топлива, т. е. в дизельном варианте, а также дополнительное отверстие для инжектора в случае отказа от карбюратора. Незамкнутый цилиндр 1, головка корпуса 2 и торцевые крышки корпуса 3 и 4 крепятся между собой с помощью шпилек или болтов или какимилибо другими способами. Незамкнутый цилиндр 1, головка корпуса 2 и торцевые крышки корпуса 3 и 4 имеют внутренние полости для водяного (жидкостного) охлаждения 13, 14 и 15, или они обеспечены ребрами для воздушного охлаждения, или являются комбинированными или какими-либо другими системами охлаждения. Кроме того, лопасти ротора могут иметь внутренние полости с охлаждающими наполнителями 22. Ротор 5, находящийся внутри полости корпуса 1,установлен эксцентрично на подшипниках (шариковых, роликовых и др.), один из которых впрессован в торцевую крышку корпуса, а другой насажен на стакан крышки корпуса. На внешней поверхности ротора выполнены выемки 21 для создания послойной топливно-воздушной смеси. На роторе 5 в передней части выемок имеются выпускные окна 12 в форме направляющих газовых сопел для выхода рабочих газов. Во внутренней полой части ротора 5,куда входит стакан торцевой крышки ротора 3, на его задней стенке, установлена соединительная муфта 23, ось которой совпадает с осью ротора. Муфта может иметь различные конструкции, например,может быть выполнена в виде синхронизатора и др. Один конец ротора 5 переходит в выходной вал,передающий крутящий момент потребителю. К ротору крепятся лопасти 6, имеющие вогнутую форму. Одним своим концом лопасть шарнирно крепится к ротору 5 с помощью шарнирного пальца 7, а другой ее конец прижимается к внутренней поверхности корпуса и головки корпуса, и при вращении ротора этот конец лопасти ротора 6 свободно скользит по внутренним поверхностям корпуса и головки корпуса, но при этом не давит на них под действием рабочих газов. Для плотного прилегания свободного конца лопасти ротора 6 к внутренним поверхностям стенки кпуса 1 и головки корпуса 2,во избежание заклинивания от действия рабочих газов и пропуска газов и отжимания его от внутренних поверхностей корпуса и головки корпуса под действием рабочих газов в предыдущей межлопастной полости, на торцевых сторонах лопастей ротора имеются штифты 11, которые входят и движутся по направляющим канавкам-пазам 10, выполненным на внутренних поверхностях торцевых крышек корпуса 3 и 4. Такая конструкция позволяет избежать какого-либо усилия прижатия и заклинивания свободных концов лопастей ротора 6 к внутренним поверхностям корпуса 1 и головки корпуса 2, тем самым сведя до минимума износ их от трения между собой, но в то же время сохраняя герметичность межлопастных полостей (камер сгорания). Для уменьшения трения сопротивления при движении штифтов в пазах-канавках на штифты 11 лопастей ротора насаживаются подшипники (шариковые,роликовые, игольчатые и др.). Могут быть другие варианты конструкций свободный конец лопасти ротора может прижиматься к внутренней стенке незамкнутого цилиндра и головки корпуса с помощью пружинных пластин, которые одним концом крепятся к ротору, а другим упираются во внутреннюю (вогнутую) сторону лопасти ротора, или с помощью торсионного типа пальцев шарнира и ряда других вариантов. При наличии карбюратора топливно-воздушная смесь подается в межлопастную полость (камеру сгорания) через впускные (всасывающие) окна 8, а при его отсутствии устанавливается инжектор или форсунка, которые могут быть перед впускными окнами в воздухопроводе или во всасывающей полости, или непосредственно топливо может впрыскиваться в период максимального сжатия воздуха перед запальной свечой. Внутри стакана крышки корпуса 3 на подшипниках установлен вал турбины 17 соосно с осью ротора с вмонтированными на нем многоступенчатыми лопатками 18 для привода вспомогательного оборудования (генератора, вентилятора, бензонасоса и др.). На этом валу жестко закреплены лопатки 18 турбины. Далее на валу установлен вентилятор 20 для принудительного вывода отработанных (выхлопных) газов через отверстия крышки 16 в выхлопную трубу. Принцип работы роторно-лопастного турбореактивного двигателя ГАРОМАР-3 показан на фиг. 1 и состоит в следующем. При прохождении лопастиротора мимо впускных окон, расположенных в головке корпуса, топливно-воздушная смесь засасывается в разреженное пространство межлопастной полости (камеры) через впускные окна 8 (фиг. 2). Этот процесс всасывания в этой межлопастной полости (камере) длится до закрытия впускных окон 8 движущейся за ней следующей лопасти ротора(фиг. 1), создавая этим полностью закрытое про 3 12875 странство камеры,заполненное топливновоздушной смесью. При дальнейшем вращении ротора камера межлопастной полости уменьшается в своем объеме в связи с эксцентричным расположением ротора в корпусе 1, при котором лопасть ротора(фиг. 1) приближается к поверхности ротора,сжимая находящуюся в ней топливно-воздушную смесь до максимума. Максимально сжатая топливно-воздушная смесь воспламеняется от искры запальной свечи 19 (при увеличении степени сжатия эта смесь самовоспламеняется по принципу работы дизельного двигателя). При сгорании этой смеси образуются газы, резко увеличивающиеся в своем объеме и создающие соответственно высокое давление. Под действием давления горящих газов, т. е. уже рабочих газов, на лопасть(фиг. 1) последняя,перемещаясь, вращает ротор и увеличивает объем межлопастной полости (камеры сгорания), куда устремляются расширяющиеся рабочие газы. При этом процессе выполняется рабочий ход, вращающий ротор, который передает крутящий момент на выходной вал 5. Далее, под воздействием рабочих газов, лопасть(фиг. 1) продолжает движение, при котором ее хвостовая часть, дойдя до головки корпуса, переходит плавно на ее внутреннюю выпуклую поверхность. Перемещаясь по ней, лопасть(фиг. 1) начинает приближаться к внешней поверхности ротора и в определенный момент прижимается к ротору. При этом объем межлопастной полости(камеры сгорания) сведен до минимума. Соответственно газы в камере создают максимальное давление. Под воздействием этого давления, созданного лопастью ротора(фиг. 1 ), плюс дополнительного усилия очередного рабочего хода в следующей за ней межлопастной полости лопасти(фиг. 1) рабочие газы с большой скоростью устремляются (выталкиваются) в совместившиеся отверстия выпускных окон 12, расположенных в передней части выемки ротора 21 с направляющими отверстиями 9, т. е. соплами, расположенными в неподвижной стенке стакана торцевой крышки корпуса 3, и далее поступают на лопатки 18 многоступенчатой турбины вспомогательного оборудования, вращая ее. Пройдя через многоступенчатую турбину, отработанные газы, израсходовав свою основную энергию, принудительно вытягиваются вентилятором, установленным на этом же валу, перед крышкой с выпускными отверстиями 16, и уходят в выхлопную трубу. Выпускные окна 12 на роторе являются одновременно направляющими, по которым истекает газовый поток, обладающий еще большой кинетической энергией, и при изменении направления газового потока в противоположную сторону вращения ротора создают этим дополнительное активное давление, или активную реакцию на вращение ротора. Затем этот поток, переходя в направляющие сопла 9 неподвижного стакана крышки корпуса 3, выполняющие роль неподвижных лопаток многоступенчатых паровых турбин, вновь изменяет направление газовой струи в противоположную сторону. В результате изменения направления газового потока создается реактивная сила газового потока, усиливающая крутящий момент на роторе согласно 3-му закону Ньютона. Газы же, выходя из направляющих сопел неподвижного стакана, устремляются на лопатки многоступенчатой турбины вспомогательного оборудования, вращая эту турбину. В случае необходимости можно еще дополнительно увеличить мощность на выходном валу ротора путем подключения его через соединительную муфту 23 к валу турбины вспомогательного оборудования. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, включающий корпус с торцевыми крышками, ротор, эксцентрично расположенный в корпусе,шарнирно закрепленные на роторе лопасти вогнутой формы со штифтами, для которых по периферии торцовых крышек корпуса выполнены направляющие пазы, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде незамкнутого пустотелого цилиндра с головкой, имеющей вид пластины, закрепленной на продольных краях корпуса и имеющей выпуклую внутреннюю поверхность, в головке выполнены впускные окна, одна из торцовых крышек снабжена полым стаканом, размещенным соосно ротору, в котором на валу установлена турбина для привода вспомогательного оборудования, в стенке стакана выполнены отверстия в виде сопел, направленных к турбине, ротор имеет осевую цилиндрическую полость для размещения упомянутого стакана торцевой крышки, а в стенке ротора, под каждой лопастью, выполнены отверстия в виде сопел, направленных внутрь полости.