PL243763B1

PL243763B1 - Rotary heat engine

Info

Publication number: PL243763B1
Application number: PL424280A
Authority: PL
Inventors: Janusz Piechna; Tomasz Laube
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2018-01-16
Filing date: 2018-01-16
Publication date: 2023-10-09
Also published as: PL424280A1

Abstract

Silnik ma korpus, w którym jest osadzony wirnik główny (1) o przepływie osiowym, zawierający na swoim obwodzie układ przepływowy złożony z wewnętrznych kanałów sprężających po stronie wlotowej, komór spalania i dysz wylotowych po stronie wylotowej, w którym wewnętrzne kanały sprężające tworzą kompresor falowy wytwarzający fale uderzeniowe sprężające powietrze doprowadzane do komór spalania, oraz osadzony współosiowo w korpusie dodatkowy wirnik o przepływie osiowym z częścią turbinową (3) napędzaną spalinami opuszczającymi wirnik główny (1). Dodatkowy wirnik stanowi wirnik swobodny, o kierunku obrotu przeciwnym do kierunku obrotu wirnika głównego (1), przy czym część turbinowa (3), usytuowana po stronie wylotowej wirnika głównego (1), jest połączona sztywno z częścią sprężającą (2) usytuowaną po stronie wlotowej wirnika głównego (1). W innym wykonaniu silnik ma osadzony współosiowo w korpusie dodatkowy wirnik o przepływie promieniowym.The engine has a body in which the main rotor (1) with axial flow is mounted, containing on its circumference a flow system consisting of internal compression channels on the inlet side, combustion chambers and outlet nozzles on the outlet side, in which the internal compression channels create a wave compressor producing shock waves compressing the air supplied to the combustion chambers, and an additional axial flow rotor with a turbine part (3) driven by exhaust gases leaving the main rotor (1) coaxially mounted in the body. The additional rotor is a free rotor, with the direction of rotation opposite to the direction of rotation of the main rotor (1), where the turbine part (3), located on the outlet side of the main rotor (1), is rigidly connected to the compression part (2) located on the inlet side main rotor (1). In another version, the engine has an additional radial flow impeller mounted coaxially in the body.

Description

Przedmiotem wynalazku jest rotacyjny silnik cieplny, wykorzystujący sprężanie naddźwiękowymi falami uderzeniowymi wytwarzanymi przez kompresor falowy na wirniku głównym, przeznaczony do napędu pojazdów nawodnych i lądowych oraz poduszkowców, pomp, sprężarek i generatorów elektrycznych.The subject of the invention is a rotary heat engine using compression by supersonic shock waves generated by a wave compressor on the main rotor, intended for driving surface and land vehicles as well as hovercraft, pumps, compressors and electric generators.

Zasadniczym elementem istniejących do tej pory konstrukcji rotacyjnego silnika cieplnego wykorzystującego sprężanie falami uderzeniowymi jest wirnik zawierający kanały wytwarzające fale uderzeniowe sprężające powietrze i po dodaniu paliwa, realizujące proces spalania w komorze spalania, a następnie w procesie rozprężania spalin generujące moment obrotowy. Zwykle energia spalin opuszczających wylot z wirnika silnika jest tracona.The basic element of the existing designs of rotary heat engines using shock wave compression is a rotor containing channels generating shock waves that compress the air and, after adding fuel, carry out the combustion process in the combustion chamber, and then generate torque in the process of exhaust gas expansion. Typically, the energy of the exhaust gases leaving the exhaust of the engine rotor is lost.

Klasyczny układ jednowirnikowego rotacyjnego silnika cieplnego naddźwiękowego z układem kanałów sprężających, komorami spalania i dyszami wylotowymi, generującymi moment na wale, został szczegółowo opisany w patencie US7337606.The classic system of a single-rotor rotary supersonic heat engine with a system of compression channels, combustion chambers and outlet nozzles generating torque on the shaft was described in detail in the patent US7337606.

W rozwiązaniu opisanym w zgłoszeniu patentowym US20040025509, spaliny opuszczające wirnik główny przepływają przez układ kierownic i kierowane są na łopatki turbiny osiowej sprzężonej z wirnikiem głównym przez zwalniającą i odwracającą kierunek jej wirowania przekładnię planetarną. Na osi wirnika głównego umieszczona jest mała sprężarka typu promieniowego wirująca w tym samym kierunku co wirnik główny.In the solution described in patent application US20040025509, exhaust gases leaving the main rotor flow through the guide vane system and are directed to the blades of the axial turbine coupled to the main rotor through a planetary gear that slows down and reverses the direction of its rotation. On the axis of the main rotor there is a small radial type compressor rotating in the same direction as the main rotor.

W rozwiązaniu przedstawionym w zgłoszeniu patentowym US20040016226 zamiast dodatkowej turbiny osiowej zaproponowano użycie turbiny promieniowej osadzonej na wspólnym wale.In the solution presented in patent application US20040016226, instead of an additional axial turbine, it was proposed to use a radial turbine mounted on a common shaft.

W publikacji Laube T., Piechna J., Mueller N., Rotary Ramgen Engine - Numerical analysis of aerodynamics and combustion, Archivum Combustionis, vol. 34 (2014) No 2, pp. 129-154, przedstawiono obliczenia przepływu przez klasyczną konstrukcję silnika składającego się z czterech segmentów zawierających kanały sprężania falami uderzeniowymi, komory spalania i dysze wylotowe. Wyniki obliczeń pozwoliły na oszacowanie parametrów przepływu w poszczególnych przekrojach kanałów przepływowych dając podstawę do usprawnień silnika.In the publication Laube T., Piechna J., Mueller N., Rotary Ramgen Engine - Numerical analysis of aerodynamics and combustion, Archivum Combustionis, vol. 34 (2014) No. 2, pp. 129-154, calculations of the flow through a classic engine structure consisting of four segments containing shock wave compression channels, combustion chambers and exhaust nozzles are presented. The calculation results allowed for the estimation of flow parameters in individual cross-sections of the flow channels, providing the basis for engine improvements.

Proces sprężania przy pomocy fal uderzeniowych wymaga uzyskania napływu powietrza lub gazu w okolice kanału sprężającego z prędkością przewyższającą lokalną prędkość dźwięku. Podstawową wadą istniejących rozwiązań jest konieczność stosowania bardzo dużych prędkości obrotowych, lub średnic dysku, w celu uzyskania względnej prędkości przepływu czynnika roboczego, przekraczającej lokalną prędkość dźwięku w kanałach wirnika. Celem wynalazku jest usunięcie lub zredukowanie tej wady.The compression process using shock waves requires an inflow of air or gas into the vicinity of the compression channel at a speed exceeding the local speed of sound. The main disadvantage of existing solutions is the need to use very high rotational speeds or disk diameters in order to obtain a relative flow velocity of the working medium exceeding the local speed of sound in the rotor channels. The aim of the invention is to remove or reduce this disadvantage.

Rotacyjny silnik cieplny, złożony z korpusu, w którym jest osadzony wirnik główny o przepływie promieniowym zawierający na swoim obwodzie układ przepływowy złożony z wewnętrznych kanałów sprężających po stronie wlotowej, komór spalania i dysz wylotowych po stronie wylotowej, w którym wewnętrzne kanały sprężające tworzą kompresor falowy wytwarzający fale uderzeniowe sprężające powietrze doprowadzane do komór spalania, posiadający osadzony współosiowo w korpusie dodatkowy wirnik o przepływie promieniowym z segmentem turbinowym napędzanym spalinami opuszczającymi wirnik główny, według wynalazku charakteryzuje się tym, że dodatkowy wirnik stanowi wirnik swobodny, o kierunku obrotu przeciwnym do kierunku obrotu wirnika głównego, przy czym segment turbinowy wirnika swobodnego, usytuowany po stronie wylotowej wirnika głównego, jest połączony sztywno z segmentem sprężającym usytuowanym po stronie wlotowej wirnika głównego.A rotary heat engine, consisting of a body in which a radial flow main rotor is mounted, containing on its circumference a flow system consisting of internal compression channels on the inlet side, combustion chambers and outlet nozzles on the outlet side, in which the internal compression channels create a wave compressor producing shock waves compressing the air supplied to the combustion chambers, having an additional radial flow rotor mounted coaxially in the body with a turbine segment driven by exhaust gases leaving the main rotor, according to the invention, characterized by the fact that the additional rotor is a free rotor, with the direction of rotation opposite to the direction of rotation of the main rotor , wherein the turbine segment of the free rotor, located on the outlet side of the main rotor, is rigidly connected to the compression segment located on the inlet side of the main rotor.

W korzystnym wykonaniu silnika, segment sprężający wirnika swobodnego zawiera boczne kanały sprężające, segment turbinowy zawiera boczne kanały rozprężające, a ponadto segment sprężający ma średnicę mniejszą od segmentu turbinowego.In a preferred embodiment of the engine, the compression segment of the free rotor contains side compression channels, the turbine segment includes side expansion channels, and moreover, the compression segment has a smaller diameter than the turbine segment.

Rozwiązanie według wynalazku zawiera dodatkowy wirnik, swobodnie obracający się w przeciwnym kierunku do wirnika głównego, otaczający jego kanały przepływowe po stronie wlotowej i wylotowej.The solution according to the invention includes an additional rotor, freely rotating in the opposite direction to the main rotor, surrounding its flow channels on the inlet and outlet sides.

Zastosowanie układu dwóch wirników, obracających się względem siebie w przeciwnym kierunku, pozwala na zredukowanie prędkości obrotowych, przy jakich pracować będzie zarówno wirnik główny, jak i dodatkowy wirnik, utrzymując względną prędkość przepływu czynnika roboczego względem wirnika głównego na tym samym poziomie, a zatem zapewniając tę samą wartość stosunku ciśnienia powietrza sprężonego do ciśnienia na wlocie do silnika.The use of a system of two rotors rotating in the opposite direction allows for reducing the rotational speeds at which both the main rotor and the additional rotor will operate, maintaining the relative flow speed of the working medium in relation to the main rotor at the same level, thus ensuring the same level. the same value of the ratio of the compressed air pressure to the pressure at the engine inlet.

Dodatkowy wirnik z układem sprężającym usytuowanym od strony wlotowej wirnika głównego, zwiększa ciśnienie powietrza sprężanego przez główny wirnik, co prowadzi do wzrostu mocy i sprawności rotacyjnego silnika cieplnego, przy zachowaniu prostej konstrukcji złożonej z dwóch wirujących części bez kontaktu z obudową.An additional rotor with a compression system located on the inlet side of the main rotor increases the pressure of the air compressed by the main rotor, which leads to an increase in the power and efficiency of the rotary heat engine, while maintaining a simple structure consisting of two rotating parts without contact with the housing.

Konstrukcja ta pozwala na zmniejszenie prędkości obrotowych wirujących części, lub na wzrost mocy i sprawności silnika przy zachowaniu wysokich prędkości obrotowych, w odniesieniu do istniejących już konstrukcji tego typu.This design allows for a reduction in the rotational speed of rotating parts, or an increase in engine power and efficiency while maintaining high rotational speeds, in relation to existing structures of this type.

Wynalazek jest objaśniony w przykładzie wykonania uwidocznionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia silnik z dodatkowym wirnikiem o przepływie promieniowym w przekroju poprzecznym, fig. 2 przedstawia silnik z fig. 1 w aksonometrii, a fig. 3 przedstawia wirniki silnika z fig. 1 w układzie montażowym w aksonometrii.The invention is explained in an embodiment shown in the drawings, in which Fig. 1 shows a cross-sectional view of an engine with an additional radial flow impeller, Fig. 2 shows the engine of Fig. 1 in axonometry, and Fig. 3 shows the rotors of the engine of Fig. 1 in the assembly system in axonometry.

Jak przedstawiono na fig. 1-3, rotacyjny silnik cieplny o przepływie promieniowym w kierunku od osi wirowania na zewnątrz, składa się z korpusu, w którym jest osadzony wirnik główny 21 o przepływie promieniowym i osadzony współosiowo w korpusie dodatkowy wirnik o przepływie promieniowym, którego segment turbinowy jest napędzany spalinami opuszczającymi wirnik główny 21.As shown in Fig. 1-3, a rotary heat engine with radial flow in the direction from the rotation axis outwards consists of a body in which a main radial flow rotor 21 is mounted and an additional radial flow rotor mounted coaxially in the body, whose the turbine segment is driven by exhaust gases leaving the main rotor 21.

Wirnik główny 21 zawiera na swoim obwodzie układ przepływowy złożony z wewnętrznych kanałów sprężających po stronie wlotowej, komór spalania i dysz wylotowych po stronie wylotowej. Wewnętrzne kanały sprężające tworzą kompresor falowy wytwarzający fale uderzeniowe sprężające powietrze doprowadzane do komór spalania.The main rotor 21 contains on its circumference a flow system consisting of internal compression channels on the inlet side, combustion chambers and outlet nozzles on the outlet side. The internal compression channels create a wave compressor that produces shock waves that compress the air supplied to the combustion chambers.

Dodatkowy wirnik stanowi wirnik swobodny 22, o kierunku obrotu przeciwnym do kierunku obracania się wirnika głównego 21. Wirnik swobodny 22 ma formę tarczy z dwoma połączonymi sztywno pierścieniowymi segmentami, turbinowym o większej średnicy i sprężającym o mniejszej średnicy. Segment turbinowy wirnika swobodnego 22, usytuowany po stronie wylotowej wirnika głównego 21, jest połączony sztywno z segmentem sprężającym usytuowanym po stronie wlotowej wirnika głównego 21. Segment sprężający zawiera boczne kanały sprężające 26. Segment turbinowy zawiera boczne kanały rozprężające 27.The additional rotor is a free rotor 22, with the direction of rotation opposite to the direction of rotation of the main rotor 21. The free rotor 22 has the form of a disc with two rigidly connected ring segments: a turbine segment with a larger diameter and a compression segment with a smaller diameter. The turbine segment of the free rotor 22, located on the outlet side of the main rotor 21, is rigidly connected to the compression segment located on the inlet side of the main rotor 21. The compression segment includes side compression channels 26. The turbine segment includes side expansion channels 27.

Korpus składa się z dwóch części 31, 32 z oddzielnym łożyskowaniem obu wirników. Pierwsza część 31 zawiera łożyskowanie 29 wirnika swobodnego 22. Druga część 32 zawiera łożyskowanie 30 wirnika głównego 21.The body consists of two parts 31, 32 with separate bearings for both rotors. The first part 31 contains the bearing 29 of the free rotor 22. The second part 32 contains the bearing 30 of the main rotor 21.

Kanały dolotowe 23 powietrza wykonane w pierwszej części 31 korpusu są usytuowane w pomiędzy łożyskowaniem 29 wirnika swobodnego 22 i segmentem sprężającym. Kanały wylotowe 24 spalin są usytuowane w korpusie na obwodzie wirnika swobodnego 22 za segmentem turbinowym, na wysokości kolumn 25 łączących obie części 31,32 korpusu. Paliwo dostarczane jest do wtryskiwaczy paliwa 33 przewodami paliwowymi 34 połączonymi z przewodem głównym 17 poprowadzonym przez wnętrze wału wyjściowego 28 wirnika głównego 21.Air intake channels 23 made in the first part 31 of the body are located between the bearing 29 of the free rotor 22 and the compression segment. The exhaust gas outlet channels 24 are located in the body on the periphery of the free rotor 22 behind the turbine segment, at the height of the columns 25 connecting both parts 31,32 of the body. Fuel is supplied to fuel injectors 33 through fuel lines 34 connected to the main line 17 routed through the interior of the output shaft 28 of the main rotor 21.

Wirnik główny 21 generuje moc odbieraną na zewnątrz silnika przez wał wyjściowy 18. Obie części 31,32 korpusu połączone są ze sobą otaczając oba wirniki i zapewniając ich współosiowe położenia.The main rotor 21 generates power received outside the engine through the output shaft 18. Both body parts 31,32 are connected to each other, surrounding both rotors and ensuring their coaxial positions.

Powietrze doprowadzane do silnika przepływa najpierw przez boczne kanały sprężające 26 segmentu sprężającego wirnika swobodnego 22. Dalej zawirowane i sprężone powietrze przepływa przez wirujący w kierunku przeciwnym wirnik główny 21. Następnie gorące gazy przepływają przez boczne kanały rozprężające 27 segmentu turbinowego wirnika swobodnego 22 napędzając go. Segment turbinowy wirnika swobodnego 22 wytwarza moment obrotowy i przekazuje go do segmentu sprężającego.The air supplied to the engine first flows through the side compression channels 26 of the compression segment of the free rotor 22. Then, the swirled and compressed air flows through the main rotor 21 rotating in the opposite direction. Then the hot gases flow through the side expansion channels 27 of the turbine segment of the free rotor 22, driving it. The turbine segment of the free rotor 22 generates torque and transmits it to the compression segment.

Wirnik swobodny 22 wiruje z prędkością obrotową, przy której moment potrzebny do napędu części sprężającej równoważony jest przez moment generowany przez jej część sprężającą. Prędkość ta zależy od chwilowego obciążenia wirnika głównego 21.The free rotor 22 rotates at a rotational speed at which the torque needed to drive the compressing part is balanced by the torque generated by its compressing part. This speed depends on the momentary load of the main rotor 21.

Przepływ przez układ przepływowy wirnika głównego 21 i wirnika swobodnego 22 może być realizowany w kierunku od osi wirowania układu na zewnątrz lub w kierunku przeciwnym. W pierwszym przypadku spaliny o wysokiej temperaturze opływają elementy konstrukcji położone daleko od układu łożyskowania. Zaletą przepływu w kierunku do osi silnika jest efektywniejszy proces sprężania powietrza wynikający z większej prędkości liniowej przy tej samej prędkości obrotowej. W przypadku takiego kierunku przepływu segment sprężający będzie miał średnicę większą od segmentu turbinowego. Wadą tego rozwiązania jest kierowanie gorących spalin w stronę układu łożyskowania.The flow through the flow system of the main rotor 21 and the free rotor 22 can be carried out in the direction from the rotation axis of the system to the outside or in the opposite direction. In the first case, high-temperature exhaust gases flow around structure elements located far from the bearing system. The advantage of flow towards the engine axis is a more effective air compression process resulting from a higher linear speed at the same rotational speed. In the case of such a flow direction, the compression segment will have a larger diameter than the turbine segment. The disadvantage of this solution is that hot exhaust gases are directed towards the bearing system.

Silnik według wynalazku z dodatkowym wirnikiem o przepływie promieniowym może służyć do napędu generatora elektrycznego, stanowiąc jednostkę zwiększającą zasięg i uniwersalność samochodów elektrycznych.The engine according to the invention with an additional radial flow rotor can be used to drive an electric generator, constituting a unit that increases the range and versatility of electric cars.

Claims

1. A rotary heat engine consisting of a body in which a radial flow main rotor is mounted, containing on its circumference a flow system consisting of internal compression channels on the inlet side, combustion chambers and outlet nozzles on the outlet side, in which the internal compression channels form a compressor wave generating shock waves compressing the air supplied to the combustion chambers, having an additional radial flow rotor mounted coaxially in the body with a turbine segment driven by exhaust gases leaving the main rotor, characterized in that the additional rotor is a free rotor (22), with the direction of rotation opposite to the direction of rotation the main rotor (21), wherein the turbine segment of the free rotor (22), located on the outlet side of the main rotor (21), is rigidly connected to the compression segment located on the inlet side of the main rotor (21).

2. The engine according to claim 1, characterized in that the compression segment of the free rotor (22) includes side compression channels (26) and the turbine segment includes side expansion channels (27).

3. The engine according to claim 1, characterized in that the compression segment has a diameter smaller than the turbine segment.