16+
Регистрация
РУС ENG
http://www.eprussia.ru/epr/139/10834.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 23-24 (139-140) декабрь 2009 года

Альтернатива двигателю Ванкеля

Энергетика: тенденции и перспективы Станислав ПОНЯТОВСКИЙ 1533

Огромный парк тепловых преобразователей, на котором работает современный транспорт, по мере увеличения объемов потребления энергии перестает отвечать возрастающим техническим, экономическим и экологическим требованиям.

В связи с этим растет необходимость в компактных, мощных и экологически чистых преобразователях, подобных электрическим машинам, но обладающих автономностью и малым весом.

Современные преобразователи представляют собой хорошо отработанные конструкции и практически работают на пределе своих возможностей. Напрашивается вывод, что надо создавать принципиально новый преобразователь энергии, выгодно отличающийся от существующей техники.



Виды преобразования

Рассматривая парк тепловых агрегатов, можно заметить, что принципиально мы имеем дело всего с тремя различными видами преобразования.

К первому можно отнести все поршневые двигатели, в которых рабочее тело расширяется в замкнутой полости переменного объема и передает свою энергию подвижным частям механизма.

Этот вид преобразования отличается большой экономичностью, обусловленной высокой степенью уплотнения и высоким температурным режимом, но наличие возвратно-поступательного движения деталей ограничивает обороты и массогабаритные характеристики двигателя.

Ко второму виду относятся все машины, где энергия рабочего тела передается газовой турбине. Он не имеет возвратно-поступательных деталей, что позволяет создавать компактные высокооборотные двигатели.

Но, к сожалению, слабое уплотнение между корпусом и турбиной, а также сравнительно низкий температурный режим требуют большого расхода топлива. При этом значительная часть выработанной энергии уходит с рабочим телом, минуя турбину.

Такой вид преобразования хорош в основном для авиации, где львиная доля энергии рабочего тела необходима для создания реактивной тяги, но он неприемлем для экономного получения механической энергии.

Фактически эти два вида определяют современные преобразователи тепловой энергии, применяемые на транспорте.



Роторно-поршневой агрегат

В 1957 году немецкий инженер Ванкель создал роторно-поршневой вид преобразователя, который взял лучшие качества у поршневого и газотурбинного двигателя. По степени уплотнения и температурному режиму он приближается к поршневому двигателю, но в нем отсутствуют возвратно-поступательные детали.

Однако преимущества двух предыдущих видов преобразования в двигателе Ванкеля использованы недостаточно полно, что значительно ограничивает ресурс работы двигателя и его широкое использование.

Несмотря на сложное взаимодействие деталей конструкции, нетрудно заметить, что двигатель Ванкеля, по сути, является хорошо сбалансированным поршневым двигателем. Его главными отличиями можно считать отсутствие сложного газораспределительного механизма и шатуна.

В результате исключения из схемы большого количества деталей двигатель Ванкеля при одинаковой мощности с поршневым двигателем почти в два раза превосходит его по массогабаритным характеристикам и отличается пониженной вибрацией.

Это особенно привлекательно для мобильных объектов, где объем, вес и экономичность являются доминирующими факторами. К сожалению, в процессе более чем полувековой эксплуатации выявились и значительные недостатки двигателя.

Главный из них – малый ресурс работы. Одна из причин – высокая температура трущейся поверхности между ротором и эксцентриком. Она возникает вследствие низкого теплового сопротивления между камерой сгорания и эксцентриком, поскольку шатуна как элемента сопротивления в двигателе Ванкеля не существует. Вращение ротора относительно корпуса и эксцентрика затрудняет отвод тепла от трущейся поверхности.

В то же время у поршневого двигателя кривошип расположен в сравнительно холодном картере, и трущиеся поверхности хорошо изолированы от высокой температуры.

Сочетание рабочего давления и высокой температуры в двигателе Ванкеля ведет к быстрому износу трущихся поверхностей эксцентрикового механизма, расходу масла и энергетическим потерям.

Другой недостаток проявляется в работе уплотнительных пластин. При вращении ротора уплотнительные пластины скользят по эпитрохоидной поверхности корпуса, меняя углы скольжения в широких пределах. Помимо этого, с увеличением оборотов растут центробежные силы и увеличивается давление пластин на стенки корпуса, что приводит к дополнительному износу, которые также отсутствуют у поршневого двигателя.

Трение, вызываемое вышеуказанными причинами, приводит к нарушению линии эпитрохоиды корпуса, что также сказывается на быстром износе трущихся деталей.

В результате, несмотря на повышенный расход масла, ресурс двигателя Ванкеля почти на порядок ниже, чем у поршневого двигателя.

К сожалению, эти недостатки являются принципиальными, что значительно ограничивает применение роторно-поршневого двигателя Ванкеля.



Без эксцентрика

Кроме двигателя Ванкеля существует множество других проектов роторно-поршневого исполнения, с использованием эксцентрикового механизма или другими сложными способами создания полости переменного объема. Однако двигатель Ванкеля до сих пор представляется наиболее удачной и отработанной конструкцией.

Задача нового агрегата состоит в том, чтобы в полной мере соединить преимущества двух первых видов преобразования. То есть необходимо в роторно-поршневом двигателе убрать дополнительное трение, обеспечив тем самым более высокие обороты и долговечность уплотнения.

Такая конструкция – проходной роторно-поршневой двигатель (ПРПД), отличающийся от двигателя Ванкеля (который можно определить как эксцентриковый роторно-поршневой двигатель) отсутствием эксцентрикового механизма и простотой конструкции.

В ПРПД ось ротора имеет жесткое соединение с осью выходного вала, что исключает паразитное давление трущихся поверхностей. Рабочая полость в нем имеет простую цилиндрическую форму, а ротор, плотно прилегая к поверхности цилиндра, скользит, практически не оказывая давления на стенки корпуса. При этом уплотнения и температурный режим максимально приближаются к показателям поршневого двигателя, а отсутствие паразитного трения и возвратно-поступательных деталей позволяет достигать высоких оборотов, характеризующих газотурбинный двигатель.

Помимо отсутствия эксцентрикового механизма, новый агрегат отличается от двигателя Ванкеля разделением функциональных узлов, которое выполнено по схеме газотурбинного двигателя.

Компрессор здесь выделен в отдельный функциональный узел. Такая схема позволяет оптимизировать конструкцию и накапливать сжатый воздух при торможении транспортного средства, что даст дополнительную экономию топлива и при необходимости – кратковременное увеличение мощности.

Помимо этого, появляется возможность создавать двигатель внешнего сгорания, используя в качестве рабочего тела жидкость или сжатый газ.



Принцип действия

Механизм роторно-поршневого двигателя содержит минимум простых деталей. Нестандартными являются только корпус, ротор, проходной барабан и ресивер. Работает двигатель следующим образом.

Источником аккумулированной энергии в ресивере обеспечивается высокое давление воздуха и проворачивание механизма. Далее в камеру впрыскивается сжатый воздух с топливом, и смесь поджигается. Расширяющийся газ толкает зуб ротора.

В этом режиме корпус, вращающийся пропускной барабан и подвижный зуб ротора обеспечивают уплотнение рабочей камеры. Затем отработанные газы выбрасываются в атмосферу, а зуб ротора проходит через развернувшееся окно пропускного барабана в начало оборота – и цикл повторяется.

В это время зуб ротора компрессора, сидящий на общем валу, сжимает воздух в рабочей полости компрессора. По достижении определенного давления открывается однонаправленный клапан, и воздух поступает в ресивер.

В компрессоре, как и в преобразователе, работает проходной барабан, и зуб ротора проходит через окно барабана.

В момент сжатия воздуха в камеру компрессора с обратной стороны зуба ротора поступает новая порция воздуха, и затем вновь идет процесс сжатия.



Проблемы уплотнений

Сравнивая проходной роторно-поршневой двигатель и двигатель Ванкеля, можно заметить, что в первом отсутствует эксцентриковый механизм, а силовое давление действует только на хорошо охлаждаемые опорные подшипники. Далее уплотнительные пластины скользят по поверхности цилиндра под постоянным углом и имеют необходимую контактную поверхность. Центробежные силы уплотнительных пластин можно легко компенсировать противовесом, расположенным с противоположной стороны ротора.

Износ цилиндрической внутренней поверхности корпуса происходит равномерно и легко компенсируется уплотнительной пластиной.

К сожалению, дополнительный узел двигателя, в виде проходного барабана, создает свои проблемы в части надежности уплотнений между камерами. Качество уплотнения этого узла в основном определяется по двум направлениям (при этом проблема боковых уплотнений решается по аналогии с двигателем Ванкеля, и ее можно не рассматривать).

Первое направление – это окружность барабана, скользящая по линии корпуса. На данном участке поверхности плотно прилегают друг к другу, словно поверхности подшипника скольжения с большой площадью контакта, что обеспечивает надежное уплотнение.

Второе направление относится к малому радиусу ротора, по которому катится барабан. Обе эти поверхности имеют цилиндрическую форму, и их контактная поверхность минимальна.

Это практически единственный узел, требующий тщательной проработки по оптимизации параметров двигателя. К сожалению, такое уплотнение в технике современных механизмов не применяется и требует дополнительных работ по его освоению.

Однако можно предположить, что проходной барабан должен деформироваться по линии касания, словно автомобильное колесо на дороге, повышая контактную поверхность и тем самым обеспечивая необходимое уплотнение.

Остальные проблемы, которые могут возникнуть в процессе создания проходного роторно-поршневого двигателя, как представляется, находятся в рамках освоенной техники ДВС.

СРО, Мощность, Топливо, Турбины, Энергия , Кабельная арматура,

Альтернатива двигателю ВанкеляКод PHP" data-description="Огромный парк тепловых преобразователей, на котором работает современный транспорт, по мере увеличения объемов потребления энергии перестает отвечать возрастающим техническим, экономическим и экологическим требованиям. <br>" data-url="https://www.eprussia.ru/epr/139/10834.htm"" data-image="https://www.eprussia.ru/upload/iblock/285/28562611a07d9ed1a21f10e48419bd97.jpg" >

Отправить на Email


Похожие Свежие Популярные

Войти или Зарегистрироваться, чтобы оставить комментарий.