Бесшатунно-необычный роторный двигатель

[kroolov]

Предлагаю участникам форума рассмотреть схему двигателя, которая вряд ли когда-либо приводилась ранее (см. рис.).
В цилиндрическом корпусе вращается ротор, имеющий шесть камер (цилиндров), расположенных по сторонам правильного шестиугольника. В камерах движутся поршни, упирающиеся в пружины (или иная упругая среда). Камеры и поршни не обязательно должны быть цилиндрическими.
В положении 1 и 1“ рабочая смесь под некоторым избыточным давлением, достаточным для преодоления центробежной силы, первоначального сжатия пружины и смещения поршня на необходимую величину, поступает в камеру. Здесь возникает небольшой крутящий момент.
В положении 2 и 2“ смесь воспламеняется, давление повышается, поршень сжимает пружину, причем на данном этапе не возникает крутящего момента, т. к. система замкнута.
В положении 3 и 3“ сжатая пружина упирается в дно камеры и создает основной крутящий момент, она же давит на поршень, который выталкивает отходящие газы, которые поступают на турбокомпрессор, находящийся на одном валу с ротором.
Очевидно, что система полностью сбалансирована. Из схемы видно, что длина рычага действия сил P намного больше, чем в обычных ДВС, поэтому двигатель может работать на малых оборотах, что благоприятно для транспорта, особенно вертолетов (нет необходимости в редукторе). Боковые силы, возникающие при вращении, при малых оборотах невелики и незнакопеременны. Удобно смазывать двигатель, а именно: подавать масло в полый вал и далее за счет центробежных сил по радиальным каналам в камеры и на периферию.
Неизвестно, какой у такого двигателя будет механический кпд, но ясно, что для оптимальной работы должны быть согласованы обороты ротора, масса поршней и жесткость пружин. Но термический кпд должен быть выше обычного ДВС, т. к. в силу своей исключительной простоты двигатель может работать при более высоких температурах и, возможно, быть керамическим.
Возможны дополнительные регулировки. Например, если регулировать связь подпоршневого пространства с атмосферой, то, оставляя там воздух или пары масла, тем самым изменять упругость системы.
Есть существенная трудность — поршень нельзя крепить к пружине, т.к. при ее растяжении возникает обратный импульс. Поэтому в положении 3 на обратном ходе поршень может сильно разгоняться и ударяться о ротор (или корпус) и его небходимо тормозить. Как? Может быть путем увеличения давления выпуска в конце его обратного хода по сигналу соответствующего датчика; оно же, это давление, реализуется далее в полезную работу в турбокомпрессоре.

 

[JohnDoe]

Предлагаю участникам форума рассмотреть схему двигателя, которая вряд ли когда-либо приводилась ранее (см. рис.).
В цилиндрическом корпусе вращается ротор, имеющий шесть камер (цилиндров), расположенных по сторонам правильного шестиугольника. В камерах движутся поршни, упирающиеся в пружины (или иная упругая среда). Камеры и поршни не обязательно должны быть цилиндрическими.
В положении 1 и 1“ рабочая смесь под некоторым избыточным давлением, достаточным для преодоления центробежной силы, первоначального сжатия пружины и смещения поршня на необходимую величину, поступает в камеру. Здесь возникает небольшой крутящий момент.
В положении 2 и 2“ смесь воспламеняется, давление повышается, поршень сжимает пружину, причем на данном этапе не возникает крутящего момента, т. к. система замкнута.
В положении 3 и 3“ сжатая пружина упирается в дно камеры и создает основной крутящий момент, она же давит на поршень, который выталкивает отходящие газы, которые поступают на турбокомпрессор, находящийся на одном валу с ротором.
Очевидно, что система полностью сбалансирована. Из схемы видно, что длина рычага действия сил P намного больше, чем в обычных ДВС, поэтому двигатель может работать на малых оборотах, что благоприятно для транспорта, особенно вертолетов (нет необходимости в редукторе). Боковые силы, возникающие при вращении, при малых оборотах невелики и незнакопеременны. Удобно смазывать двигатель, а именно: подавать масло в полый вал и далее за счет центробежных сил по радиальным каналам в камеры и на периферию.
Неизвестно, какой у такого двигателя будет механический кпд, но ясно, что для оптимальной работы должны быть согласованы обороты ротора, масса поршней и жесткость пружин. Но термический кпд должен быть выше обычного ДВС, т. к. в силу своей исключительной простоты двигатель может работать при более высоких температурах и, возможно, быть керамическим.
Возможны дополнительные регулировки. Например, если регулировать связь подпоршневого пространства с атмосферой, то, оставляя там воздух или пары масла, тем самым изменять упругость системы.
Есть существенная трудность — поршень нельзя крепить к пружине, т.к. при ее растяжении возникает обратный импульс. Поэтому в положении 3 на обратном ходе поршень может сильно разгоняться и ударяться о ротор (или корпус) и его небходимо тормозить. Как? Может быть путем увеличения давления выпуска в конце его обратного хода по сигналу соответствующего датчика; оно же, это давление, реализуется далее в полезную работу в турбокомпрессоре.

Посмотреть вложение 583309

Реактивная турбина, аля Сегнерово колесо. Основной крутящий момент будет создаваться газами вытекающими в выхлоп. Будет также возникать кр.момент в такие сгорания, при сжатии пружины и перемещении поршня к оси, в НМТ, как у фигуриста, прижимающего во вращении руки к телу, но это будет скомпенсировано в такте выхлопа распрямлением пружины и перемещением поршня к периферии ротора, в ВМТ, те ничего кроме допвибраций не даст. Вся функция поршня сведётся лишь к очистке "цилиндра" от выхлопных газов, его перемещения никакой полезной работы не выполняют, лишь ухудшают процесс сгорания, который происходит на расширении. Отказ от пружин и, возможно, поршня превратит данный агрегат в Золотниковую Камеру Сгорания с циклом Хамфри (горение при постоянном объеме) имеющую гораздо лучшие перспективы. Для получения механической работы основную энергию газов придется срабатывать во внешней газовой турбине, или машине объемного расширения.
Имху

 

[kroolov]

Ув. JohnDoe
Не так все просто. Перемещение газов и силы Кориолиса — это вторичные факторы. Поршень сжимает пружину, запасая в ней энергию kx^2 , плюс его собственная энергия движения mv^2, которая при столкновении с пружиной передается камере (ротору). Далее камера и поршень расходятся при расжатии пружины, получив от нее одинаковые противонаправленные импульсы. Но система должна быть в резонансе, т.е. этот момент должен совпадать с подходом выпускного окна. Но, например, если поршень легкий, то он зависнет в каком-то среднем положении при равенстве давлений, и далее идет только выхлоп с малой полезной отдачей. Если слишком тяжелый, то он рано сожмет пружину (еще при закрытом окне), и его кинетическая энергия пропадет.

 

[daredevil]

камера и поршень расходятся при расжатии пружины, получив от нее одинаковые противонаправленные импульсы

А что происходит с этими импульсами, когда пружина полностью разжалась? Подсказка: суммарный импульс нулевой.

 

[daredevil]

PS
Если поршень после разжатия пружины будет тормозиться о статор, а не о ротор - то вращение будет. Тогда не вся, а "лишь" половина запасённой пружиной энергии пропадает. Причём для контрвращения статора эту энергию не так-то просто передать, чтобы не пропала. Например, если представить, что поршень тормозится за счёт сжатия остатка газа в камере после выхлопа - то давление газа будет тормозить ротор (будет разница моментов сил давления за счёт разницы плечей из-за асимметрии камеры), а не пытаться провернуть статор, ведь по отношению к нему сила давления направлена радиально.

 

[kroolov]

daredevil

А что происходит с этими импульсами, когда пружина полностью разжалась? Подсказка: суммарный импульс нулевой

Вас зажали двое в коробочку. Вы сжались в пружину и одного оттолкнули руками, другого - задом, - в итоге результат нулевой?
Нельзя тормозить о статор - теряется смысл. А тормозить давлением надо в верхнем положении поршня, когда энергия пружины будет уже использована.

 

[daredevil]

Dixi

 

[JohnDoe]

daredevil

Вас зажали двое в коробочку. Вы сжались в пружину и одного оттолкнули руками, другого - задом, - в итоге результат нулевой?
Нельзя тормозить о статор - теряется смысл. А тормозить давлением надо в верхнем положении поршня, когда энергия пружины будет уже использована.

Хорошо. Давайте зайдём с этой стороны.
Принято считать, что наиболее эффективно поршневой ДВС работает с мгновенным подводом теплоты в ВМТ. Те когда пик давления в ВМТ(в реальности это эквивалентно детонации использованию которой препятствует куча всего, разрушающие ударные нагрузки на механизм и материалы в ТЧ, ну да ладно, мы теоритизируем дилетантски). В Вашем случае нежесткий подвес поршня на пружине этого реализовать не даст, как только сила давления газов превысит жесткость пружины она начнет сжиматься. Через нее поршень будет передавать силу давления на ротор в точке крепления пружины к нему(поэтому биться поршнем о ротор в НМТ совсем необязательно, ну да фиг с ним). Сжатие пружины будет красть часть энергии газа, ротору эта часть не достанется. Причем, чем выше сопротивление вращению ротора, те чем выше нагрузка на вал мотора, тем бОльшая часть будет уходить на сжатие пружины, вхолостую. Возврат энергии ротору при расжатии пружины в такте выпуска будет тоже не стопроцентным, если будет вообще(процентов 50 вернётся в лучшем случае). Это прямые потери КПД.
Имху

 

[daredevil]

Давайте зайдём с этой стороны.

Да не надо с другой стороны, написанного выше умному достаточно. Чел подумал на 2 шага (пружина сжалась, пружина разжалась и растолкала ротор и поршень), на третий шаг (поршень остановился относительно ротора) его не хватило. Ступор у него, он не может сделать этот шаг, несмотря на намёки. А ведь машина не плюётся поршнями, как РД рабочим телом.

 

[JohnDoe]

Да не надо с другой стороны, написанного выше умному достаточно. Чел подумал на 2 шага (пружина сжалась, пружина разжалась и растолкала ротор и поршень), на третий шаг (поршень остановился относительно ротора) его не хватило. Ступор у него, он не может сделать этот шаг, несмотря на намёки. А ведь машина не плюётся поршнями, как РД рабочим телом.

Не, как не сжимай/разжимай пружину она ротору ничего ДОПОЛНИТЕЛЬНО придать не может, ТК система поршень-пружина-ротор является замкнутой. Пружина здесь выполняет роль маховика в обычном двс, те аккумулятора энергии и служит для выталкивания отработанных газов из цилиндра, не более. Ну, кроме того, что делает это она гораздо хуже маховика съедая КПД.
Имху

 

[kroolov]

Согласен с замечаниями коллег, что машина не плюется поршнями, но на то и существует цикл, с закрытием окна он повторяется. Действительно, пружина аналогична маховику и запасает энергию каждый цикл, которая не вся достается ротору.
Но чем принципиально отличается эта схема от обычного ДВС ? Принципиально - ничем! Только частные отличия.
В ДВС сжатые газы давят на поршень, тот на шатун, тот на кривошип с коротким плечом, а точкой опоры для создания противодавления является головка цилиндров.
В этой схеме пружина (аналог сжатых газов) давит на поршень, тот на газы, далее следует выпускной тракт и турбина, а точкой опоры с длинным плечом для создания противодавления является дно камеры.
В обоих случаях создается крутящий момент. Ситуация справедлива до тех пор, пока открыто окно, т. е. на эту временную долю цикла система является открытой и производится полезная работа. Проблема только в том, чтобы вовремя остановить поршень и благополучно завершить цикл.
Да, энергия пружины распределяется неравномерно: большая часть достается поршню, т. к. он имеет меньший вес и, согласно распределению моментов mv, будет иметь большую скорость при движении к вмт. Поэтому следует по возможности утежелять поршень и облегчать ротор, а, точнее, уменьшать его сопротивление вращению (момент инерции, нагрузка и пр.)

 

[Kazakov]

Предлагаю участникам форума рассмотреть схему двигателя, которая вряд ли когда-либо приводилась ранее (см. рис.).
В цилиндрическом корпусе вращается ротор, имеющий шесть камер (цилиндров), расположенных по сторонам правильного шестиугольника. В камерах движутся поршни, упирающиеся в пружины (или иная упругая среда). Камеры и поршни не обязательно должны быть цилиндрическими.
В положении 1 и 1“ рабочая смесь под некоторым избыточным давлением, достаточным для преодоления центробежной силы, первоначального сжатия пружины и смещения поршня на необходимую величину, поступает в камеру. Здесь возникает небольшой крутящий момент.
В положении 2 и 2“ смесь воспламеняется, давление повышается, поршень сжимает пружину, причем на данном этапе не возникает крутящего момента, т. к. система замкнута.
В положении 3 и 3“ сжатая пружина упирается в дно камеры и создает основной крутящий момент, она же давит на поршень, который выталкивает отходящие газы, которые поступают на турбокомпрессор, находящийся на одном валу с ротором.
Очевидно, что система полностью сбалансирована. Из схемы видно, что длина рычага действия сил P намного больше, чем в обычных ДВС, поэтому двигатель может работать на малых оборотах, что благоприятно для транспорта, особенно вертолетов (нет необходимости в редукторе). Боковые силы, возникающие при вращении, при малых оборотах невелики и незнакопеременны. Удобно смазывать двигатель, а именно: подавать масло в полый вал и далее за счет центробежных сил по радиальным каналам в камеры и на периферию.
Неизвестно, какой у такого двигателя будет механический кпд, но ясно, что для оптимальной работы должны быть согласованы обороты ротора, масса поршней и жесткость пружин. Но термический кпд должен быть выше обычного ДВС, т. к. в силу своей исключительной простоты двигатель может работать при более высоких температурах и, возможно, быть керамическим.
Возможны дополнительные регулировки. Например, если регулировать связь подпоршневого пространства с атмосферой, то, оставляя там воздух или пары масла, тем самым изменять упругость системы.
Есть существенная трудность — поршень нельзя крепить к пружине, т.к. при ее растяжении возникает обратный импульс. Поэтому в положении 3 на обратном ходе поршень может сильно разгоняться и ударяться о ротор (или корпус) и его небходимо тормозить. Как? Может быть путем увеличения давления выпуска в конце его обратного хода по сигналу соответствующего датчика; оно же, это давление, реализуется далее в полезную работу в турбокомпрессоре.

Посмотреть вложение 583309

Рабочая схема! Можно провести эксперимент в лифте, запереть шесть человек, распределить обязанности кто какой такт изображает и совместно толкать лифт на второй этаж. Крылья больше не нужны (шутка)

 

[kroolov]

запереть шесть человек

Или тащить себя же за волосы . Шутники. Прочитали бы внимательно текст.

 

[Varan]

Схема конечно раньше не встречалась и вряд ли встретится, потому как разобраться, надо откуда там крутящий момент возникает.
В 1 положении я никакого крутящего момента не вижу, ни большого ни маленького. Это нетрудно понять проведя мысленный опыт. В момент поступления сжатой смеси и небольшого перемещения поршня попробуйте повернуть ротор в ту или другую сторону. На мой взгляд никакого изменения на процессы, в цилиндре это не окажет. Как поступал газ и перемещался поршень так и продолжит. Следовательно и подача давления в цилиндр никакого влияния на ротор не окажет. Потому как действие всегда равно противодействию а тут никакого противодействия нет.

 

[Varan]

Мне кажется, вы просто забыли, что давление газа всегда перпендикулярно поверхности, поэтому если показать все газовые силы действующие в цилиндре, хоть с установленным поршнем и пружиной хоть без, то их результирующая составляющая, всегда будет проходить через ось вращение.
Для возникновения крутящего момента и движения ротора нужно чтобы при его вращении происходило изменение объёма, иначе никак. работа она всегда находится, как сила на перемещение, одной силы недостаточно, иначе было бы возможно создание вечного двигателя

 

[Varan]

В положение 2 тоже никакого крутящего момента не будет, по той же причине. Там поршень под действием давления газов просто сожмет пружину и остановится
Правда при вращающемся, роторе будет небольшой нюанс. При сжатии пружины поршень движется и его центр масс становится ближе к оси вращения, соответственно возникнет кориолисова сила, которая будет ускорять ротор, при движении от нмт соответственно эта сила будет ротор тормозить

Учитывая, что у вас ротор вращается, неспеша этим эффектом можно пренебречь, ввиду незначительности этой силы и чтобы не заслонять суть незначительными подробностями
Если возражений нет можно рассмотреть третье положение, в котором крутящий момент все таки кое чем создается, если есть пишите с чем несогласны

 

[kroolov]

Для возникновения крутящего момента и движения ротора нужно чтобы при его вращении происходило изменение объёма

Да, верно. Это изменение объема происходит после воспламенения смеси в период 2 -3 , что приводит к сжатию пружины и аккумулированию ей этой работы на расширение газа. Все, энергия в пружине, после этого о газах можно забыть. Далее надо рассматривать только кинематику и динамику упругой системы. Усилие, с которым пружина будет отбрасывать поршень, и , соответственно, давить на плечо ротора, грубо можно оценить как mx / t^2. Пусть масса поршня 1 кг, смещение поршня до ВМТ 30 см, время 0,01 сек. Тогда сила составит 3000 ньтон. Далее можно оценить и другие параметры. Но, чтобы система работала оптимально, необходим резонанс, как и для любой упругой системы.
Я больше не буду писать, может быть следует обратиться к какой-то организации, вдруг построят образец. хотя и крайне маловероятно..

 

[Varan]

Это совсем не это изменение объёма, вы не поняли
В вашем двигателе отсутствует главная деталь- поршень ( ротор- поршень), который превращает давление газов в механическую работу за счет изменения объёма рабочего тела. У вас вращение ротора на объём рабочего тела никак не влияет, поэтому сжатые газы механическую работу по вращению ротора не совершают, у вас есть подпружененные контр поршни, которые накапливают часть энергии газов в пружине и служат для выталкивания СЖАТОГО рабочего тела из цилиндров.
Пружины накапливают совсем не всю энергию газа, так как сжатую пружину удерживает давление газа над поршнем а примерно половину, или меньше в том случае, если давление в цилиндре будет больше чем требуется для полного сжатия пружины
При открытии выпускного окна эта энергия сжатых газов будет потеряна, небольшая часть ее будет возвращена в виде сжатого нового заряда компрессором
Если давление над поршем в положении 3 будет уменьшаться постепенно то энергия пружины будет передаваться сжатому газу и никакого крутящего момента вообще не возникнет
Если сразу убрать давление скачком то энергия пружины приведет в движение контр поршень и ротор
Правда в этом случае непонятно за счет чего будет работать ваша турбина

 

[Varan]

При моментальном снятии давления пружина будет расталкивать поршень и ротор в противоположных направлениях
Ее энергия распределится между поршнем m x V**2 /2 и энергией вращательного движения ротора, которая равна момент инерции умноженный на квадрат угловой скорости пополам
Чтобы приближенно оценить какая часть энергии пружины куда уйдет и при этом не путаться с моментами инерции можно посмотреть как распределится энергия между ротором и поршнем если пружина будет просто их расталкивать в разные стороны, результат будет одного порядка
По вашей картинке я прикинул что ротор раз в 70 массивнее поршня, пусть будет 50 (если не нравится потом сами выберете что вам нравится)
В этом случае по закону сохранения импульса скорость поршня будет в 50 раз больше скорости ротора
m поршня х V поршня = m ротора х Vротора
Откуда отношение кинетической энергии поршня к кинетической энергии ротора тоже будет 50
То есть ротору будет передано 1/51 от полной энергии пружины
Кинетическая энергия поршня, в конечном итоге перейдет в тепло при ударе о корпус и никакой полезной работы не создаст
Учитывая, что половина энергии выброшена из цилиндра вместе со сжатыми газами, а термический кпд предложенного двигателя очень высокий, пусть будет 50 процентов, то общий кпд вашего двигателя будет порядка
КПД= 1/51 х 0,5 х 0,5 = 0,0049
Или 0,5 процента
Это конечно без учета трения в механизме и противодействия газов над поршнем
В самом деле осталось найти того кто жаждет сделать такой двигатель, а в остальном прекрасная маркиза все хорошо, все хорошо

 

[kroolov]

Вы подробно разбираете ситуацию, спасибо. Хорошо, я отвечу. Я также сначала ссылался на закон сохранения импульса, тут он не проходит, т.к . пружина, зажатая между свободными телами - это искусственная ситуация (не типичное взаимодействие упругих тел), созданная тем, что поршень с большой кинетической энергией врезается в пружину и ей эту энергию передает. А раз вмешался закон сохранения энергии, закон импульсов — мимо.
А также массы тел здесь вторичны, т.к. ротор — это фактически ось с длинным плечом, на который действует нагрузка двигателя.
Так что приходится вернуться к ситуации определения усилий, см. ранее. Для примера, представьте, что Вы сжатая пружина и Вам надо оттолкнуть груз (поршень) с такой силой, чтобы он набрал нужную скорость и подошел к ВМТ за 0,01 сек (зависит от оборотов и др.). Так что как ни крути, а нужное усилие за счет ускорения составит 3000 ньютон, а раз действие равно противодействию, то и усилие на плечо ротора то же. То есть здесь играет роль не гравитационная масса, а инертная масса. Правда, есть опасность, что при отталкивании с огромной силой, груз потащит Вас за собой ! Но все равно такое усилие неизбежно потребуется.
Так что энергия газа передается поршню, тот передает пружине, а она ее делит на кинетическую поршня (плюс работа выталкивание газа) и на работу (сила * путь) для ротора.
Трудость в том, что здесь нет жестких связей, как в ДВС, система динамична, в чем и трудность ее понимания и расчета. Например, под действием давления газов поршень будет двигаться со скоростью сотни метров в сек, легко подсчитать, а в ДВС жестко увязан с КШМ и скорости намного меньше.