RU2098637C1

RU2098637C1 - Engine

Info

Publication number: RU2098637C1
Application number: RU9595111448A
Authority: RU
Inventors: В.М. Халанский; А.Н. Вольф; И.В. Горбачев
Original assignee: Московская сельскохозяйственная академия им.К.А.Тимирязева
Priority date: 1995-07-04
Filing date: 1995-07-04
Publication date: 1997-12-10
Also published as: RU95111448A

Abstract

FIELD: power-plant mechanical engineering. SUBSTANCE: engine has case 1, admission pipe 3 and outlet pipe 4, impeller 5, and blades 6 made in the form of continuous helical surfaces embracing impeller 5 over entire circumference and placed in annular channel 2 of case 1. Engine flow path is shaped as infinite closed single- or multiple-pass helical channel whose axis of twisting is circumference 9 passing through space of annular channel 2 and center of circumference is on axis 10 of impeller revolution. When machine is used as internal-combustion engine, holes are made on case periphery which communicate with annular channel and receive spark plugs. Working medium moves in helical channels and continuously acts on blades 6 throughout entire way from inlet to outlet ensuring impeller rotation. In internal-combustion engines, combustible mixture is introduced in flow path wherein it is ignited by electric arc. EFFECT: enlarged functional capabilities. 5 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в гидро-, газо- и паротурбинах, роторных двигателях внутреннего сгорания и устройствах для измерения расхода текучей среды. The invention relates to power engineering and can be used in hydro-, gas- and steam turbines, rotary internal combustion engines and devices for measuring fluid flow.

Известны конструкции паро-, газо- и гидротурбины, в которых рабочее тело воздействует на лопатки рабочего колеса лишь в зоне ввода рабочего тела (РТ) в корпус турбины, а затем выводится из зоны энергообмена. В таких устройствах кинетическая энергия рабочего тела расходуется неэффективно, что снижает КПД гидродвигателя. Known designs for steam, gas and hydraulic turbines, in which the working fluid acts on the blades of the impeller only in the zone of input of the working fluid (RT) into the turbine housing, and then removed from the energy exchange zone. In such devices, the kinetic energy of the working fluid is spent inefficiently, which reduces the efficiency of the hydraulic motor.

Известен двигатель с фиксационным приводом, в котором РТ отдает за счет сил трения части своей кинетической энергии вращающемуся ротору [3]
Недостатком такого двигателя является низкий КПД, т.к. взаимодействует РТ с дисками ротора ограничено лишь частью пути, совершаемого РТ с проходном канале двигателя.A known engine with a locking drive, in which the RT gives due to the friction forces part of its kinetic energy to a rotating rotor [3]
The disadvantage of this engine is its low efficiency, because RT interacts with rotor disks is limited only by a part of the path made by RT with the engine through passage.

Известна вихревая турбина, в которой РТ совершает движение по винтовым линиям и многократно воздействует на лопатки рабочего колеса [2]
Недостатком такой конструкции является низкий КПД, т.к. значительная часть своего пути по винтовым каналам РТ проходит в корпусе и не воздействует на лопатки рабочего колеса.Known vortex turbine in which the RT makes movement along helical lines and repeatedly acts on the blades of the impeller [2]
The disadvantage of this design is the low efficiency, because a significant part of its path through the screw channels of the RT passes in the housing and does not affect the impeller blades.

Известны вихревые машины, в которых за счет различных устройств организуется устойчивое вихревое движение РТ по всей длине кольцевого канала и за счет этого повышается КПД машины [1, 4 7]
Известен роторный двигатель, в котором для интенсификации энергообмена между лопатками и рабочим телом ротор выполнен в виде бесконечного гибкого элемента с закрепленными на нем лопатками. В таком устройстве РТ взаимодействует с лопатками на всем пути своего движения в проточной части двигателя, что повышает КПД двигателя [8]
Недостатком такого устройства является сложность конструкции.Known vortex machines in which due to various devices a stable vortex motion of the RT is organized along the entire length of the annular channel and due to this the efficiency of the machine increases [1, 4 7]
Known rotary engine, in which to intensify the energy exchange between the blades and the working fluid, the rotor is made in the form of an endless flexible element with blades mounted on it. In such a device, the RT interacts with the blades along the entire path of its movement in the flow part of the engine, which increases the efficiency of the engine [8]
The disadvantage of this device is the design complexity.

Известен роторный мотор, в котором рабочее тело совершает движение по винтовым каналам рабочего колеса и взаимодействует со спиральной лопастью по всей длине проточной части [9]
Недостатком такого устройства является то, что составляющая скорости РТ, направленная вдоль оси вращения, не участвует в полезном энергообмене и лишь создает осевое давление на опоры колеса. В результате КПД машины снижается. Это решение является наиболее близким к заявленному.Known rotary motor, in which the working fluid moves along the helical channels of the impeller and interacts with a spiral blade along the entire length of the flow part [9]
The disadvantage of this device is that the component of the speed of the RT, directed along the axis of rotation, does not participate in useful energy exchange and only creates axial pressure on the wheel bearings. As a result, the efficiency of the machine is reduced. This solution is the closest to the one declared.

Изобретение направлено на устранение выше отмеченных недостатков известного и от его использования может быть получен следующий технический результат: повышение экономичности двигателя путем интенсификации энергообмена между лопатками и рабочим телом, упрощение конструкции и повышение надежности двигателя. The invention is aimed at eliminating the above noted drawbacks of the known and the following technical result can be obtained from its use: improving engine efficiency by intensifying energy exchange between the blades and the working fluid, simplifying the design and improving engine reliability.

Указанный технический результат достигается за счет того, что двигатель содержит корпус с рабочим кольцевым каналом, имеющим в радиальном сечении форму круга или эллипса, патрубок для подвода рабочего тела в кольцевой канал, патрубок для отвода РТ из кольцевого канала, рабочее колесо, установленное в корпусе с возможностью вращения, на периферийной или боковой поверхности которого расположены криволинейные лопатки, размещенные в кольцевом канале и образующие совместно со стенками кольцевого канала проточную часть двигателя. The specified technical result is achieved due to the fact that the engine contains a housing with a working annular channel having a circle or ellipse shape in radial section, a nozzle for supplying a working fluid to the annular channel, a nozzle for removing the RT from the annular channel, an impeller installed in the housing with the possibility of rotation, on the peripheral or lateral surface of which there are curved blades located in the annular channel and together with the walls of the annular channel forming the engine duct.

Особенность изобретения в том, что лопатки выполнены в виде непрерывных винтовых поверхностей, охватывающих периферийную или боковую поверхность колеса по всей окружности и соединенных с колесом в точках касания витками поверхности колеса. При этом осью закрутки винтовых лопаток является линия, совпадающая с осевой линией кольцевого канала корпуса. Проточная часть имеет форму замкнутого одно- или многозаходного винтового канала. Поэтому рабочее тело совершает винтообразное движение в проточной части двигателя, т.е. участвует в двух вращательных движениях: вращаясь вокруг оси закрутки винтовых лопаток и вокруг оси вращения рабочего колеса. Рабочим телом для заявленного изобретения может служить газ, вода, пар, горючая смесь и продукты ее горения. A feature of the invention is that the blades are made in the form of continuous helical surfaces, covering the peripheral or side surface of the wheel around the entire circumference and connected to the wheel at points of contact by turns of the wheel surface. In this case, the axis of twist of the screw blades is a line coinciding with the axial line of the annular channel of the housing. The flowing part has the form of a closed single or multiple start screw channel. Therefore, the working fluid makes a helical motion in the flow part of the engine, i.e. participates in two rotational movements: rotating around the axis of rotation of the screw blades and around the axis of rotation of the impeller. The working fluid for the claimed invention may be gas, water, steam, a combustible mixture and its combustion products.

Необходимое условие функционирования двигателя особая форма лопаток, место и направление ввода рабочего тела в проточную часть и взаимное расположение подводящего и отводящего патрубков. Выполнение лопаток непрерывными винтовыми позволяет организовать устойчивое вихревое движение рабочего тела и полезный энергообмен между ним и лопатками на всем пути движения РТ в проточной части двигателя от входа до выхода его из кольцевого канала, а длину этого пути довести до максимально возможного за счет максимального удаления отводящего патрубка от подводящего патрубка по направлению вращения. A necessary condition for the functioning of the engine is the special shape of the blades, the place and direction of the input of the working fluid into the flow part and the relative position of the inlet and outlet pipes. The implementation of continuous helical blades allows you to organize a stable vortex motion of the working fluid and useful energy exchange between it and the blades on the entire path of the RT in the engine duct from the inlet to its exit from the annular channel, and bring the length of this path to the maximum possible due to the maximum removal of the outlet pipe from the inlet pipe in the direction of rotation.

Остальные признаки заявленного двигателя частные, поскольку характеризуют лишь конкретное выполнение того или иного узла двигателя. The remaining features of the claimed engine are private, since they characterize only the specific implementation of a particular engine assembly.

На фиг. 1 показан предлагаемый двигатель; на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1 на фиг. 3-5 сечения Б-Б на фиг. 1; на фиг. 6 кинематическая схема; на фиг. 7 схема варианта двигателя внутреннего сгорания. In FIG. 1 shows the proposed engine; in FIG. 2 is a view along arrow A in FIG. 1 in FIG. 3-5 sections BB in FIG. one; in FIG. 6 kinematic diagram; in FIG. 7 is a diagram of an embodiment of an internal combustion engine.

Двигатель состоит из корпуса 1, внутри которого выполнен рабочий кольцевой канал 2, имеющий в радиальном сечении форму круга или эллипса, патрубка 3 для подвода рабочего тела в кольцевой канал, патрубка 4 для отвода рабочего тела из кольцевого канала и рабочего колеса 5, установленного в корпусе с возможностью вращения. На периферийной или боковой поверхности колеса выполнены одна или несколько криволинейных лопаток 6, расположенных в кольцевом канале 2 корпуса. Лопатки 6 выполнены в виде непрерывных винтовых поверхностей, скрученных в спираль вокруг стержня 7 и охватывающих колесо 5 по всей окружности наружной кромки колеса. В точках 8 касания витков поверхности колеса лопатки жестко прикреплены к колесу. Линия 9, вокруг которой закручены винтовые лопатки 6, представляет собой окружность, радиус которой равен расстоянию от центра кольцевого канала 2 до оси 10 вращения колеса 5 или может быть больше (меньше) этого расстояния. The engine consists of a housing 1, inside which a working annular channel 2 is made, having a radial section in the form of a circle or an ellipse, a nozzle 3 for supplying a working fluid to the annular channel, a nozzle 4 for withdrawing the working fluid from the annular channel and the impeller 5 installed in the housing with the possibility of rotation. On the peripheral or lateral surface of the wheel, one or more curved blades 6 are located in the annular channel 2 of the housing. The blades 6 are made in the form of continuous helical surfaces twisted into a spiral around the rod 7 and covering the wheel 5 around the entire circumference of the outer edge of the wheel. At points 8 of touching the turns of the wheel surface, the blades are rigidly attached to the wheel. The line 9, around which the screw blades 6 are twisted, is a circle whose radius is equal to the distance from the center of the annular channel 2 to the axis of rotation of the wheel 5 or may be more (less) this distance.

Подводящий патрубок 3 прикреплен к боковой поверхности корпуса 1 в зоне кольцевого канала 2 так, что его сопло направлено на поверхность лопатки, расположенную на противоположной по отношению к направлению вращения колеса 6 стороне, а ось О₁ О₁ сопла составляет с направлением А-А закрутки винтовой лопасти острый угол α, значение которого находится в пределах 0 <a <(90^o- b ).The inlet pipe 3 is attached to the side surface of the housing 1 in the area of the annular channel 2 so that its nozzle is directed to the surface of the blade located on the opposite side to the direction of rotation of the wheel 6, and the axis O ₁ O _{1 of the} nozzle is with the direction AA rotation helical blade acute angle α, the value of which is in the range 0 <a <(90 ^o - b).

Отводящий патрубок 4 прикреплен к боковой поверхности корпуса 1 с противоположной от подводящего патрубка стороне, а его ось О₂ - О₂ направлена по направлению винтовой лопасти.The outlet pipe 4 is attached to the side surface of the housing 1 from the side opposite from the supply pipe, and its axis O ₂ - O _{2 is} directed in the direction of the screw blade.

Во всех случаях использования заявленного устройства в энергетических установках (кроме гидротурбин) место крепления подводящего 3 и отводящего 4 патрубков выбирается из конструктивных соображений, при этом расстояние от подводящего патрубка 3 до отводящего патрубка 4 по направлению вращения колеса 5 должно быть максимально возможным. In all cases of using the claimed device in power plants (except for hydraulic turbines), the mounting location of the supply 3 and outlet 4 nozzles is selected from design considerations, while the distance from the supply nozzle 3 to the outlet nozzle 4 in the direction of rotation of the wheel 5 should be as possible as possible.

При использовании устройства в гидротурбинах подводящий патрубок крепят к верхней части корпуса, а отводящий к нижней. When using the device in hydraulic turbines, the inlet pipe is attached to the upper part of the body, and the outlet to the bottom.

Двигатель работает следующим образом. The engine operates as follows.

Рабочее тело, введенное через подводящий патрубок 3 в кольцевой канал 2 корпуса под острым углом к направлению закрутки винтовых лопаток 6, воздействует первоначально на расположенную напротив патрубка 3 часть поверхности лопатки 6 и попадает в винтовой канал, преобразуя таким образом часть своей энергии во вращательное движение колеса 5. В дальнейшем рабочее тело движется по винтовым каналам совместно с колесом, вращаясь вокруг оси 9 закрутки винтовых лопаток 6 и вращаясь вокруг оси 10 вращения колеса. При этом за счет большей окружной скорости движения рабочего тела по кольцевому каналу в сравнении с окружной скоростью движения наружной кромки колеса происходит полезный энергообмен на всем пути движения рабочего тела до выхода его из проточной части через отводящий патрубок 4. При возникновении дополнительного сопротивления вращению колеса окружная скорость его уменьшается, а относительная скорость обтекания рабочим телом лопаток возрастает, что приводит к увеличению крутящего момента на валу колеса и преодолению дополнительного сопротивления, т. е. имеет место автоматическое приспособление двигателя к условиям работы устройства, в котором он используется. The working fluid, introduced through the inlet pipe 3 into the annular channel 2 of the housing at an acute angle to the direction of rotation of the screw blades 6, initially acts on the part of the surface of the blade 6 located opposite the pipe 3 and enters the screw channel, thereby converting part of its energy into rotational movement of the wheel 5. In the future, the working fluid moves along the screw channels together with the wheel, rotating around the axis 9 of rotation of the screw blades 6 and rotating around the axis 10 of rotation of the wheel. At the same time, due to the greater peripheral speed of the working fluid along the annular channel in comparison with the peripheral speed of the outer edge of the wheel, useful energy exchange occurs along the entire path of the working fluid until it leaves the flow part through the outlet pipe 4. When additional resistance to rotation of the wheel occurs, the peripheral speed it decreases, and the relative velocity of the flow around the working medium of the blades increases, which leads to an increase in torque on the wheel shaft and overcomes the additional resistance, i.e., the engine automatically adapts to the operating conditions of the device in which it is used.

Участие рабочего тела в двух вращательных движениях приводит к периодическому изменению состояния рабочего тела в зависимости от места нахождения каждого элементарного объема рабочего тела в проточной части. В периферийной части винтового канала (точка M) (фиг. 6) за счет сложения центробежных сил P₁ и P₂ рабочее тело сжимается, а в корневой части (точка N) из-за действия сил P₃ и P₂ в разных направлениях рабочее тело расширяется,
где P₁ центробежная сила, возникающая в точке M от вращательного движения PT вокруг оси 10 с угловой скоростью w₁;
P₂ центробежная сила, возникающая в точке M и N от вращательного движения PT вокруг оси 9 с угловой скоростью ω₂;
P₃ центробежная сила, возникающая в точке N от вращательного движения PT вокруг оси 9 с угловой скоростью ω₁.The participation of the working fluid in two rotational movements leads to a periodic change in the state of the working fluid, depending on the location of each elementary volume of the working fluid in the flowing part. In the peripheral part of the helical channel (point M) (Fig. 6), due to the addition of centrifugal forces P ₁ and P _{2, the} working fluid is compressed, and in the root part (point N), due to the action of the forces P ₃ and P ₂ in different directions, the working fluid the body expands
where P _{1 is the} centrifugal force arising at point M from the rotational motion of PT around axis 10 with an angular velocity w ₁ ;
P ₂ centrifugal force arising at point M and N from the rotational motion of PT around axis 9 with an angular velocity of ω ₂ ;
P ₃ centrifugal force arising at point N from the rotational motion of PT around axis 9 with an angular velocity ω ₁ .

Этот эффект цикличности может быть использован для создания на базе заявляемого двигателя двигателя внутреннего сгорания. This cyclical effect can be used to create, on the basis of the inventive engine, an internal combustion engine.

На фиг. 7 показана принципиальная схема варианта двигателя внутреннего сгорания с заявленным устройством. Он состоит из известных конструкций компрессора 11, топливного бака 12, смесительной камеры 13 и заявленного устройства 14, на корпусе которого в зоне кольцевого канала 2 установлены свечи зажигания 15, подключенные к известной в технике системе зажигания. In FIG. 7 shows a schematic diagram of a variant of an internal combustion engine with the claimed device. It consists of the known constructions of the compressor 11, the fuel tank 12, the mixing chamber 13 and the claimed device 14, on the body of which in the zone of the annular channel 2 spark plugs 15 are connected to the ignition system known in the art.

Сжатый воздух от компрессора 11 и топливо из бака 12 поступают в смесительную камеру 13. В результате распыла и перемешивания его с воздухом образуется горючая смесь, которая поступает через патрубок 3 в кольцевой канал 2. Двигаясь по винтовым каналам проточной части заявленного двигателя 14, смесь интенсивно перемешивается и воспламеняется от электрического разряда одной или нескольких свечей зажигания 15. В результате расширения продукты сгорания движутся ускоренно по винтовым каналам проточной части двигателя и обеспечивают вращение рабочего колеса 5. Изменяя количество и качество подаваемой горючей смеси, можно изменять силовой и скоростной режим двигателя. Compressed air from the compressor 11 and fuel from the tank 12 enter the mixing chamber 13. As a result of spraying and mixing it with air, a combustible mixture is formed, which flows through the pipe 3 into the annular channel 2. Moving along the screw channels of the flow part of the declared engine 14, the mixture is intensively mixes and ignites from an electric discharge of one or more spark plugs 15. As a result of expansion, the combustion products move accelerated along the screw channels of the engine flow passage and provide rotation which wheel 5. By varying the quantity and quality of the fuel mixture supplied can be varied and the power of the engine speed mode.

Claims

1. An engine comprising a housing, inside which an annular channel is made, nozzles for supplying and discharging the working fluid, an impeller mounted rotatably in the housing, on the peripheral part of which are curved blades located in the annular channel and forming together with the walls of the annular channel engine flow path, characterized in that the blades are made in the form of continuous helical surfaces covering the wheel around the entire circumference and connected to the wheel at the touch points by turns of the blades overhnosti wheels and flow part is in the form of endless closed single- or multi-start helical channel whose axis spin is a circle passing through the annular channel cavity, wherein the center of the circle is located on the axis of rotation.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the annular channel in the radial section and the projection of the blade on the plane of the radial section have the shape of a circle.

3. The engine according to claim 1, characterized in that the annular channel in a radial section and the projection of the blade on the plane of the radial section are elliptical.

4. The engine according to claim 1, characterized in that the nozzle of the inlet pipe is directed to the surface of the blade located on the side opposite to the direction of rotation of the wheel, and the axis of the nozzle makes an acute angle with the direction of rotation of the screw blade.

5. The engine according to claim 1, characterized in that on the peripheral part of the housing there are holes extending into the annular channel into which the spark plugs are installed.