Дмитрий Чернышов, аспирант МГТУ (МАМИ)

Группа разработчиков из Texas A&M University в начале XXI века разработала на основе цикла Брайтона новую конструкцию роторного (героторного) двигателя и экспериментально подтвердила возможность достижения высоких энергетических показателей.

Двигатель первоначально разрабатывался в рамках коммерческой программы создания силовых агрегатов для энергетических установок, наземного транспорта, судов и т.д. Но силовыми агрегатами на основе этого двигателя заинтересовались американские военные. И их интерес к этому двигателю вполне объясним.

Как известно, к любому двигателю предъявляются определенные требования, часть из которых являются общими, прочие обусловлены спецификой применения конкретных энергетических машин. Среди этих требований подчас встречаются просто противоречащие друг другу: высокий к.п.д.; высокие удельные параметры (например, мощность на единицу массы и объема); низкий уровень выделения тепла (тепловая скрытность); большая наработка на отказ (надежность); многотопливность (включая стандартные для армии топлива); низкий уровень шума и вибрации; экологическая чистота; низкая стоимость и др.
Удовлетворить всем указанным требованиям, используя существующие двигатели, практически невозможно - чем-то приходится поступаться. Простейший анализ показывает, что, например, дизельные двигатели не удовлетворяют требованиям по шуму и вибрации. Пока не удается создать маломощные газотурбинные двигатели с к.п.д. более высоким, чем у поршневых моторов равной мощности.

Разработчики из Texas A&M University взяли за основу своего проекта реализацию цикла Брайтона в объемной машине. Свой двигатель, на конструкцию которого получены патенты, они назвали StarRotor.

В обычных ГТД выбрасываемая струя воздуха и сгоревших газов имеет весьма высокую энергетику: большую скорость и температуру. Утилизация тепла отходящих газов может существенно повысить общий к.п.д. тепловой машины. На этом принципе и базируется цикл Брайтона. Теплообмен между отходящими газами и сжатым воздухом, поступающим в камеру сгорания, происходит в регенеративных теплообменниках, а рабочий процесс ГТД, в котором утилизируется тепло выходящих из турбины газов, называется регенеративным. При этом полезная работа возрастает благодаря увеличению работы, развиваемой турбиной, и уменьшению работы, потребляемой компрессором. Энергия сжатого и нагретого газа преобразуется турбиной в механическую работу вала.

Чтобы повысить эффективность цикла на вход компрессора может подаваться распыленная вода. В случае впрыска воды в воздухозаборник газовоздушный тракт принимает на себя функции котла паровой машины. Учитывая все выше сказанное, при выполнении комплексной оценки ДВС или ГТД с впрыском воды следует принимать во внимание оба физических процесса - только в этом случае есть возможность точно просчитать энергетику двигателя.

Этот же классический принцип реализации термодинамического цикла Брайтона используется в объемных агрегатах двигателя StarRotor, конструкция компрессора и расширительной ступени которого выполнена по героторной схеме. Компрессорная ступень повышает давление всасываемого воздуха с 0,1 до 0,6 МПа. Воздух, проходя через теплообменник, предварительно нагревается, а затем поступает в камеру сгорания, в которую подается топливо. Горячие газы срабатываются в расширительной ступени до давления окружающей среды, после чего отдают остаточное тепло теплообменнику и покидают силовую установку.

Цикл Брайтона, выбранный разработчиками для двигателя StarRotor, позволяет реализовать большинство из поставленных перед ними требований, в том числе повысить к.п.д. до 44…64 %.

Необходимо особо отметить значительно меньший уровень шума и вибрации двигателя StarRotor по сравнению с двигателями, работающими по циклам Отто и Дизеля. Связанно это не только с лучшей уравновешенностью схемы самого двигателя, отсутствием масс, движущихся возвратно-поступательно, но и с еще одной важной конструктивной особенностью: давление выхлопных газов у такого двигателя понижено до давления окружающей среды.

"Компрессорная" и "турбинная" секции двигателя представляют собой объемные машины одинакового диаметра, что в значительной мере позволяет уменьшить негативное влияние таких факторов, как влажность окружающей среды, пониженное атмосферное давление и плотность воздуха (при эксплуатации на большой высоте) и т.д.

В запатентованном двигателе StarRotor, работающем по циклу Брайтона, используется принцип героторной объемной машины для ступеней компрессора и расширителя.

Героторный компрессор имеет внутренний ротор с n зубьями и внешний ротор с n+1 зубьями. Расположение роторов жестко определенно эксцентриситетом между ними. Как правило, n выбирается в диапазоне от 5 до 10, но возможны и другие варианты.

Взаимное и однонаправленное вращение роторов обеспечивает движение рабочих камер от окна всасывания до окна нагнетания. Объем камер уменьшается, а давление растет.

Степень сжатия определяется, как в любой другой объемной компрессорной машине, отношением максимального (после закрытия впускного окна) и минимального (момент начала открытия выпускного окна) объемов рабочей камеры.
Расширительная ступень работает аналогично компрессорной, только в обратной последовательности. Газ при высокой температуре и давлении поступает в расширительную ступень из камеры сгорания через впускное окно входного канала. Расширяющийся газ начинает совершать полезную работу, заставляя вращаться внутренний ротор жестко связанный с валом.
Секционность - преимущество героторной схемы - используется как в расширительной ступени, так и компрессорной. Данная особенность позволяет понижать давление выхлопных газов до 0,1 МПа.

В данном двигателе цикла Брайтона, применение смазки и контакт зубьев рабочих роторов в расширительной ступени недопустимы из-за высокой температуры и давления отработавших газов.

Предотвращать износ и трение между зубьями внутренних и внешних роторов расширительной ступени в данной конструкции призван специальный механизм синхронизации. Внешний механизм синхронизации гарантирует надлежащее кинематическое движение роторов. Минимизировать газовую утечку через технологические зазоры предполагается путем использования газового лабиринтного уплотнения.

Ожидается, что надежность и долговечность двигателя благодаря малому количеству деталей будут на достаточно высоком уровне. Запуск двигателя возможен от обычного электростартера или сжатым воздухом.

Двигатель мощность 50 Вт предполагается использовать для выработки электроэнергии для портативной электроники, а мощностью 50 МВт в качестве главных энергетических установок кораблей. Двигатели малой мощности используют одностадийное сжатие, а мощные двигатели используют многостадийное сжатие до 216 атм.

Улучшение мощностных и геометрических характеристик достигнуто благодаря использованию роторов наименее возможного диаметра для достижения больших скоростей вращения. Двигатели имеют высокую величину коэффициента формы, который определен как отношение длины двигателя к диаметру. Двигатель мощностью 50 кВт с двухступенчатым сжатием имеет диаметр 9,6 см и длину 91 см.