PL243763B1 - Rotacyjny silnik cieplny - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

W rozwiązaniu przedstawionym w zgłoszeniu patentowym US20040016226 zamiast dodatkowej turbiny osiowej zaproponowano użycie turbiny promieniowej osadzonej na wspólnym wale.

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.

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.

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.

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.

Rozwiązanie według wynalazku zawiera dodatkowy wirnik, swobodnie obracający się w przeciwnym kierunku do wirnika głównego, otaczający jego kanały przepływowe po stronie wlotowej i wylotowej.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Silnik według wynalazku z dodatkowym wirnikiem o przepływie promieniowym może służyć do napędu generatora elektrycznego, stanowiąc jednostkę zwiększającą zasięg i uniwersalność samochodów elektrycznych.

Claims (3)

1. 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, znamienny tym, że dodatkowy wirnik stanowi wirnik swobodny (22), o kierunku obrotu przeciwnym do kierunku obrotu wirnika głównego (21), przy czym 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).

2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że segment sprężający wirnika swobodnego (22) zawiera boczne kanały sprężające (26), a segment turbinowy zawiera boczne kanały rozprężające (27).

3. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że segment sprężający ma średnicę mniejszą od segmentu turbinowego.