ПЕРСПЕКТИВЫ РОТАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Вадим Георгиевич Некрасов

 

В журнале за 2009 г. № 4 была опубликована статья И.С. Пятова "Детандеры объемного типа". В редакционном примечании сообщалось, что отзывы по данной теме будут приветствоваться. Кроме того, редакция выражала готовность способствовать контакту заинтересованных сторон как для продолжения дискуссии по теме, так и для организации промышленного применения роторных машин. В порядке ответа на такое предложение автор приводит здесь свои взгляды на поднятую проблему.

Поршневые двигатели, как известно, появились еще в XVIII веке в виде паровых машин, а XIX век вообще считается веком паровых машин. В середине XIX века на смену паровым машинам появились двигатели внутреннего сгорания. Но в ДВС цилиндр и поршень остались основными элементами, обеспечивающими преобразование потенциальной энергии газа под давлением в движение поршня, т.е. в механическую энергию, преобразуемую далее во вращательное движение вала двигателя.

Но поршневая схема двигателя имеет существенные недостатки. Поршень совершает периодическое возвратно-поступательное движение, появляются инерционные силы, требуется механизм преобразования движения. Это было выяснено с самого начала появления поршневых машин. И в то же самое время начался поиск более рациональной схемы - коловратных машин или, по современной терминологии, ротационных машин. Имеются десятки патентов на схемы ротационных паровых машин, которые начали регистрироваться с 1765 г. и продолжают появляться до последних лет.

Следует отметить, что работоспособная паровая машина ротационного принципа все же была создана, но уже в ХХ веке. Это винтовая машина. Винтовые компрессоры с рабочим органом типа винтового модуля Лисхольма были разработаны в тридцатых годах ХХ века. В последние годы ХХ века винтовые компрессоры разных типоразмеров стали выпускать много фирм. Но винтовая машина, как всякая объемная машина, обратима. На основе винтовых модулей были созданы винтовые двигатели, работающие на водяном паре. Имеется даже производственная компания, которая занимается монтажом таких винтовых агрегатов.

Здесь следует отметить, что степень расширения винтовых машин небольшая - при начальном давлении пара 1,3 МПа на выходе он имеет давление 0,5...0,6 МПа. Температура тоже ограничена, не более 250...300 °С. Есть опыт последовательного включения двух винтовых машин для ступенчатого расширения пара. Но он пока единичный и не получил распространения. Следовательно, пока рано считать, что применение ротационных расширительных машин даже на водяном паре - вопрос решенный.
Необходимо сделать еще одно замечание. Здесь не рассматриваются паровые и газовые турбины. Это ротационные, но не объемные, а лопаточные машины, преобразующие кинетическую энергию газа в механическую мощность. Они эффективны только при больших мощностях, когда объемы газов большие. При мощности порядка 100 кВт требуется применение объемных машин. К ним и возвращаемся.

Многочисленные попытки выполнить ротационную расширительную машину, но уже в роли двигателя внутреннего сгорания, не прекращаются и сейчас, о чем свидетельствуют многочисленные публикации и патенты со схемами и даже фотографиями работающих моделей с многообещающими показателями. Но реально успехи далеко не такие. Из всех вариантов роторных машин на практике показала возможность реального выполнения двигателя схема на основе трохоидального принципа.

Трохоида - плоская кривая, представляющая собой траекторию точки, связанной с окружностью, катящейся без скольжения по прямой. При направляющей, отличающейся от прямой, образуется серия различных вариантов трохоид.

В настоящее время известен только один тип двигателя такого типа, это роторно-поршневой двигатель Ванкеля. В нем внутренняя поверхность корпуса имеет форму эпитрохоиды. Внутри расположен трехгранный ротор; за один оборот ротора в разных частях статора совершаются процессы четырехтактного цикла, включающие впуск воздуха, его сжатие, сгорание топлива и расширение газов, а также выпуск отработавших газов.

Появились также предложения по конструкции роторных компрессоров трохоидального типа. Разработан и применен в разработках АМО "ЗИЛ" и НАМИ ротационный компрессор трохоидального типа. В этих компрессорах процесс проще, происходит только впуск и сжатие с выпуском сжатого воздуха. Поэтому статор такого компрессора выполняется по кардиоиде, одной из разновидностей трохоид, а ротор имеет чечевицеобразную симметричную форму с двумя вершинами, контактирующими с внутренней поверхностью статора машины. При вращении вала ротор совершает планетарное движение, т.е. вращается при одновременном перемещении центра вращения по круговой орбите. За счет этого ротор разделяет объем статора на две полости, объем одной из них при вращении ротора увеличивается, обеспечивая впуск воздуха, а объем второй полости при этом сокращается, производя сжатие воздуха и выталкивание его в выпускной канал. За один оборот вала ротор совершает половину оборота, возвращаясь в исходное положение, но в перевернутом виде.

Велись работы и по разработке расширительных машин роторного типа трохоидальной конструкции, в частности, в НАМИ, ВНИИМотопром, РПД ВАЗ. Сообщалось, что их к.п.д. превышал 0,7. Но, по имеющейся информации, это были двигатели по схеме Ванкеля, т.е. совмещавшие в себе и компрессор, и детандер одновременно.

Применение автономного компрессора и отдельно расширительной машины позволяет реализовать двигатель по циклу Брайтона, при котором сжатие воздуха производится в отдельном компрессоре, затем воздух поступает в камеру сгорания, откуда газы направляются на расширительную машину. Сегодня понятие цикла Брайтона применяют к принципу работы газотурбинных установок с лопаточными машинами как для компрессора, так и для расширительной части - турбины. Но газотурбинные установки эффективны при больших мощностях. Цикл Брайтона применим и для объемных машин. При применении объемных машин ротационного типа эффективность существенно возрастает. Прецедент подобного решения имеется. Двигатель по циклу Брайтона на основе объемных ротационных машин трохоидального типа, исследован в Техасском университете в США. Эффективность такого двигателя на основе трохоидальных машин оценивают величиной 64%, что существенно выше, чем у дизельных турбокомпаундированных двигателей.

В настоящее время применение альтернативного топлива на основе азотных соединений считается перспективным направлением. Азотное топливо - это раствор смеси химических соединений, содержащих как горючий компонент, так и окислитель. Это монотопливо (унитарное топливо); оно по-существу относится к веществам типа пороха. Отличие состоит в том, что это водный раствор, то есть не обычный, а "жидкий порох".

Для реагирования азотного топлива необходимо создать в реакционной камере соответствующие условия - давление и температуру. Поскольку воздух для реагирования не требуется весь двигатель состоит из топливного насоса, реакционной камеры и расширительной машины. Термический к.п.д. азотного топлива существенно выше, чем для углеводородного топлива ввиду отсутствия необходимости сжатия воздуха и высокой степени расширения газов. Применение в качестве расширительной машины детандера трохоидального типа с высоким механическим к.п.д. позволит получить высокую эффективность всего цикла.

Двигатели на монотопливе существуют, на нем работают двигатели американских и российских торпед, но пока это двигатели обычной конструкции известных типов: либо поршневые, либо газотурбинные. Монотопливо для гражданского применения  использовано в промышленных условиях в нефтяной промышленности для разогрева высоковязкой нефти непосредственно в пласте залегания на глубине 900 м. Камера сгорания для монотоплива в этом случае полностью идентична таковым для двигательных установок.

Из проведенного анализа следует, что применение расширительной машины (детандера) ротационного типа трохоидной конструкции, обладающей более высокими технико-экономическими показателями по сравнению с поршневым вариантом, в составе двигателя, работающего на азотном топливе, обеспечит высокий эффективный к.п.д.

Исходя из этого можно считать целесообразным конструирование и выполнение ротационного детандера трохоидного типа для применения его в качестве расширительной машины для двигателей на азотном топливе. Такая расширительная машина возможна и в составе двигателей, работающих на углеводородном топливе, при их выполнении по циклу Брайтона, если снабдить двигатель воздушным компрессором. Применение компрессора ротационного типа тоже не исключается.

В настоящее время творческий коллектив, занимающийся освоением азотного топлива, проводит исследование сгорания монотоплива в реакционных камерах импульсного типа и постоянного давления.
Следующим этапом реализации комплексного двигателя с высокими технико-экономическими и экологическими показателями должна стать разработка конструкции и выполнение расширительной машины. Из проведенного анализа следует, что наилучшими перспективами обладает детандер трохоидальной формы.

Мы готовы организовать тесное сотрудничество со специалистами и организациями, имеющими опыт в разработке объемных машин такого типа.