Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

РОТОРНО – ЛОПАСТНОЙ ДВИГАТЕЛЬ С КАЧАЮЩИМИСЯ ЛОПАСТЯМИ

Отений Я.Н. 1 Вирт А.Э. 1
1 Камышинский технологический институт (филиал) ВолгГТУ
Для устранения имеющихся недостатков поршневых двигателей внутреннего сгорания во всем мире на протяжении длительного периода двигателей велись и продолжают вестись интенсивные исследования по их усовершенствованию. Главная особенность заключается в том, что причины несовершенства поршневых двигателей заложены в самой конструкции и по существу являются неустранимыми. Поэтому до сих пор не прекращаются попытки разработать принципиально новый двигатель внутреннего сгорания. Одним из таких двигателей является ротороно-лопастной двигатель. На основные которого действуют силы давления газов, крутящий момент, приложенный к коленчатому валу и инерциальные силы. Все перечисленные нагрузки распределяются между деталями двигателя в соответствии с требованиями равновесия всей системы сил. В данной статье рассматриваются основные математические закономерности расчета главных параметров роторно-лопастного двигателя.
роторно-лопастного двигатель
двигатель внутреннего сгорания
кинематика двигателя
1. Панкратов Г.П. Двигатели внутреннего сгорания. Автомобили, тракторы и их эксплуатация: Учебник для техникумов. – М.: Высшая школа, 1984. – 296 с.
2. Попык К.Г. Конструирование и расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учебник для втузов. – М.: Высшая школа, 1973. – 400 с.
3. Конструктивные особенности безшатунного роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания / А.Э. Вирт, Я.Н. Отений, А. Митрафанов // Прогрессивные технологии в обучении и производстве: Материалы II Всероссийской конференции. Т. 1. – Камышин, 2003. – С. 2.
4. Луканин В.Н., Шатров М.Г. Двигатели внутреннего сгорания. Книга 2. Динамика и конструирование 3-е изд., перераб. – М.: Высш. шк., 2007. – 400 с: ил.
5. Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания. Учебник – Перевод с украинского языка. – Харьков: ХНАДУ, 2009. – 500 с.

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) нашли чрезвычайно широкое применение во всех отраслях народного хозяйства, но больше всего, как двигатели для транспортных средств и автономного применения. Перечень конструкций ДВС достаточно широк, но в эксплуатации наибольшее распространение получили кривошипно-шатунные поршневые дизельные и карбюраторные двигатели. Несмотря на это, указанные двигатели имеют большое количество недостатков.

Для устранения имеющихся недостатков во всем мире на протяжении всего периода эксплуатации поршневых и других двигателей велись и продолжают вестись интенсивные исследования по их усовершенствованию. Главная особенность заключается в том что, причины несовершенства поршневых двигателей заложены в самой конструкции и по существу являются неустранимыми. К наиболее значительным недостаткам поршневых двигателей относятся относительно низкий к.п.д. (15…35 %) и действие на поршень значительной по величине составляющей усилия, направленного перпендикулярно боковой поверхности. В результате этой составляющей происходит интенсивный износ внутренней поверхности цилиндра, компрессионных и маслосъемных колец. Это приводит к ухудшению уплотнения зазоров между поршнем и цилиндром, а через некоторое время после начала эксплуатации увеличиваются утечки газов в картер через зазоры, снижается мощность двигателя, и увеличивается расход топлива. Трение компрессионных и маслосъемных колец по поверхности цилиндра приводит к механическим потерям. Механические потери на терние поршневых колец относительно поверхности цилиндра достигают 30 % и более от общих механических потерь. В результате этого также снижается моторесурс двигателя.

Именно по этой причине были предложены различные конструкции ДВС, отличающиеся от кривошипно-шатунных поршневых. К ним относятся роторно-поршневые двигатели, двигатель Ванкеля, безшатунный двигатель Баландина, роторно-лопастные двигатели и др. Некоторые из этих двигателей были запущены в эксплуатацию, но по различным конструктивным, технологическим и эксплуатационным причинам не нашли широкого применения. Из всех конструкций двигателей наиболее перспективными следует признать роторно-лопастные двигатели внутреннего сгорания. Несмотря на очевидные их преимущества во всем мире имеются немного изготовленных и испытанных двигателей такого рода. То, что не удалось внедрить некоторые из перспективных разработок, объясняется не только наличием конструктивных недостатков и недоработок, но и тем, что в настоящее время существует достаточно хорошо разработанная технология изготовления применяемых двигателей, наличием специального оборудования и инструмента, автоматизированных поточных линий. В ряде случаев внедрение новых конструкций сдерживается также косностью мышления специалистов занимающихся усовершенствованием и эксплуатацией уже существующих ДВС. Это предопределяет дополнительные требования к созданию новых конструкций, которые при соблюдении всех требований имеющихся двигателей должны быть более технологичны, обработка должна вестись на имеющемся оборудовании, обладать простой конструкцией, меньшей массой, повышенной надежностью и ресурсом, и т. п.

Устройство и принцип работы роторно-лопастного двигателя схематично показаны на рисунке. В цилиндрическом корпусе 1 вращаются на валах, установленных на одной оси лопасти Аа, Бб, делящие полость цилиндра на четыре замкнутых объема. Лопасти совершают колебательное движение наподобие движения ножниц, а в замкнутых объемах совершаются термодинамические процессы. Двигатель может быть выполнен двухтактным или четырехтактным. В корпусе 1 предусмотрена система охлаждения 2, впускное 4 и выпускное окно 3, свеча зажигания 5.

Работа роторно-лопастного двигателя происходит следующим образом. В камере 1 (рисунке, а) происходит сгорание рабочей смеси, в камере 2 происходит рабочий ход – газы расширяются, в камере 3 закончен выпуск, а в камере 4 всасывается свежая горючая смесь. При дальнейшем движении лопастей (рисунке, б) в камере 1 происходит рабочий ход, в камере 2 – выпуск, в камере 3 – всасывание, в камере 4 – сжатие свежей горючей смеси. Затем все циклы в камерах 1 – 4 повторяются (рисунке, в и г), в камеру, проходящую мимо впускного окна, засасывается свежая горючая смесь, затем она сжимается, перемещается к свече зажигания, после зажигания происходит рабочий ход и при подходе камеры к выпускному окну – выхлоп отработанных газов. Таким образом, в роторно-лопастном двигателе возможны очень высокие рабочие обороты. Все детали хорошо уравновешенны, газораспределение осуществляется окнами.

Основная сложность роторно-лопастного двигателя заключается в том, что для него необходим простой надежный и долговечный механизм связи лопастей, обеспечивающий требуемое движение одной лопасти относительно другой. Тем не менее простота компоновки РЛД позволяет надеяться на достижение при дальнейшей конструкторской проработке высоких значений основных показателей, предъявляемым к двигателям, главными из которых являются экономичность, надежность, ресурс, материалоемкость, доступность изготовления и простота обслуживания, экологичность, достаточно высокий к.п.д, конструкторскую и технологическую преемственность, степень их стандартизации и унификации.

Роторно-лопастной двигатель может быть конструктивно исполнен с кривошипно-шатунным механизмом или без него. Безшатунный вариант в конструкторской практике, на сегодняшний, день не предлагался, однако он является вполне реализуемым и позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели по сравнению с поршневыми двигателями.

Для поршневых двигателей эффективная мощность определяется по формуле:

oten01.wmf, (1)

где рэ – среднее эффективное давление в рабочей камере Па, Vл – рабочий объем всех цилиндров двигателя (литровый объем) м3; nk – частота вращения коленчатого вала, об/мин; τ – коэффициент тактности (для четырехтактного двигателя τ = 2, для двухтактного двигателя τ = 1).

Произведем проверку соответствия указанной формулы для РЛД.

Рассмотрим случай колебательного движения двух лопастей. При колебательном движении каждая лопасть совершает вращательное движение.

Мощность, передаваемая лопастью в этом случае, будет равна:

oten02.wmf, (2)

где ωл – средняя угловая скорость, с которой совершается колебание лопасти, Мл – средний крутящий момент, действующий на лопасть равный:

oten03.wmf, (3)

где, м; Rл – наружный радиус лопасти; rл – внутренний радиус лопасти; Lл – длина лопасти.

oten1ris.wmf

а)               б)         в)           г)

Схема работы роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания и фазы его работы

При перемещении лопасти в одном направлении коленчатый вал повернется на пол оборота, поэтому условие числа оборотов лопасти nл в предположении, что она вращается со средней скоростью в пределах угла поворота выглядит так:

oten04.wmf, (4)

где αхл – угол хода лопасти.

Следовательно, эффективная мощность, передаваемая одной лопастью, будет вычисляться по зависимости:

oten05.wmf. (5)

Учитывая, что рабочий объем при перемещении одной лопасти:

oten06.wmf, (6)

получим:

oten07.wmf, (7)

при условии, что объём Vл измеряется в дм3.

Учитывая, что полный литровый объём равен:

oten08.wmf, (8)

а также, что усилие передается двумя лопастями одновременно и, переходя к объему, выраженному в кубометрах, и вводя коэффициент тактности τ, окончательно получим:

oten09.wmf, (9)

что соответствует формуле (1) для определения эффективной мощности поршневых двигателей.

Из предыдущих формул видно, что при заданных значениях числа оборотов коленчатого вала и среднего давления, на мощность двигателя влияет высота и длина лопасти, а также угол поворота лопасти. Эти же параметры определяют габариты двигателя.

Внутренние радиусы лопастей rл назначаются на основании расчетов на прочность вала несущего лопастедержателя. Длина лопастей Lл определяется в зависимости от возможности продольного размещения клапанов или золотников газораспределительной системы, толщина лопасти в окружном направлении рассчитывается из условия на прочность и жесткость лопастей. Значение угла поворота лопасти зависит в свою очередь от толщины лопастей в окружном направлении.


Библиографическая ссылка

Отений Я.Н., Вирт А.Э. РОТОРНО – ЛОПАСТНОЙ ДВИГАТЕЛЬ С КАЧАЮЩИМИСЯ ЛОПАСТЯМИ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 9-3. – С. 449-451;
URL: https://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=7345 (дата обращения: 17.01.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074