Роторно-лопастной двигатель. Начало.

[Olebug]

2 с

 

[Olebug]

3 с

 

[Olebug]

4 с

 

[ВИЛОКС]

http://video.yandex.ru/users/topol-mm/view/45/

 

[Olebug]

Для вышеприведенной камеры непрерывного сгорания (КНС), которую предыдущие ораторы иногда обозначали внешней камерой или камерой постоянного горения, мною разработана программа расчета рабочего процесса. При этом в качестве механизма связи (МС) я принял либо механизм с использованием эллиптических зубчатых колес, либо, что практичней, механизм с использованием шарниров Гука (в просторечии именуемых карданами) - кинематика этих МС совпадает.
По просьбе Виктора, здесь я выкладываю скины расчета рабочего процесса на ней.
Итак.
Исходные параметры:

 

[Olebug]

Здесь обозначено:

Vac - активный объем цилиндра (объем ометаемый лопастями) = 1244.1 cm3
Psii - амплитуда относительных колебаний лопастей = 73.7 grad
Vi - рабочий объем двигателя = 1019.3 cm3
Vsmax - максимальный объем секции (объем между лопастями) = 260.03 cm3
tetal - средняя угловая ширина лопасти в град = 51,63
Slop - Площадь поверхности лопасти =72 cm2
Sac - Площадь внутренней поверхности цилиндра + торцовых стенок = 329.87 cm2
Slu - уплотняемая площадь лабиринтного уплотнения = 12 mm2 (зазоры приняты в 0.05 мм при радиусе цилиндра 70 мм)
Площадь поверхности КНС = 294.94 cm2
Площадь поверхности горячей зоны КНС = 90 cm2
Площадь поверхности аккумулятора давления = 10628 cm2
pkrLu - критическое отношение давления лабиринтного уплотнения =10.18
Qn - теплотворная способность килограма топлива

Следующий скрин - сечения окон и фазы газораспределения

Обозначено
epsilon - мгновенная кинематическая степень сжатия (= отношению текущего объема секции к ее максимальному объему)
fia1 - угол открытия впускного окна
fia2 - угол закрытия впускного окна
fib1 - угол открытия выпускного окна
fib2 - угол закрытия выпускного окна
fic1 - угол открытия впускного окна в КНС
fic2 - угол закрытия впускного окна в КНС
fiz1 - угол открытия выпускного окна из КНС
fiz2 - угол закрытия выпускного окна из КНС

 

[Olebug]

Теперь займемся вещами несколько более интересными.
Вот например диаграмма рабочего процесса при скорости вращения выходного вала в 600 рад/сек (т.е. около 6000 об/мин).
Справа дана легенда для графиков.

 

[Olebug]

При этом диаграмма p-V выглядит так.

Здесь обращает на себя внимание то, что диаграмма в верхней части имеет петлю - это следствие потерь на газообмен с КНС. Естественно площадь верхней петли, как впрочем и площадь нижней петли, выражающей потери на газообмен с атмосферой - отрицательны.

 

[Olebug]

Выходные параметры двигателя при таких оборотах будут выглядить так:
Коэффициент избытка воздуха (принят, зависит от подачи топлива) = 1.5
Удельный расход топлива = 247 г/квт час
Удельный расход топлива на изменение состояния системы = - 1 г/квт час
Индикаторное давление цикла = 4.069 бар
Индикаторная мощность = 39.61 квт
Индикаторный момент на валу = 66.01 нм
Удельная мощность = 38.86 квт/л
Общая энергия = 100%
Кпд = 34.99%
Тепло на изменение состояния системы = -0.37%
Тепловые потери (в стенки) = 23.41%
Тепловые потери с выхлопными газами = 31.92%
Поток тепла в ресивер = 0% (отключен)
Тепловые потери в лабиринтном уплотнении = 8.53%
Остаток (погроешность расчета теплового баланса) = 1.58%
Средний коэффициент теплоотдачи = 685.4 ватт/м2*К
Средняя температура в секции (такую температуру приняли бы лопасти без охлаждения) = 920.02 K
Утечки газа через лаберинтное уплотнение = 12.02%

 

[Olebug]

Там есть еще скрины по динамике, лабиринтному уплотнению и т.п., но в основном я здесь выложил все.

 

[Bиктор]

Вилли, спасибо!!
Есть ряд вопросов.

Можно попросить Вас для улучшения разборчивости рисунок к посту 2033 увеличить (объем файла это позволяет - до 250кБ)?

Каково отношение длины цилиндра к его диаметру (140мм)?

На моей ветке было Владимиром высказано мнение, что через стенки КС тоже будут значительные тепловые потери.
Что Вы скажете на это?

Акцентируйте, пожалуйста, соображение, насколько снижаются динамические и тепловые нагрузки на лопасти, по сравнению с вариантом обычного сгорания смеси в секции между лопастями?
Я это к тому, что возможно, эллиптические зубья окажутся вполне пригодными для снятия мощности, у которой вследствие Вашей КС резко снижены пиковые газовые нагрузки на лопасти...

 

[Olebug]

Можно попросить Вас для улучшения разборчивости рисунок к посту 2033 увеличить (объем файла это позволяет - до 250кБ)?

нет, это нативное разрешение дос. В программе графический курсор позволяет выбрать любой график и выдает в отдельном окне название и значение переменной.

Каково отношение длины цилиндра к его диаметру (140мм)?

120, диаметр вала 80.

На моей ветке было Владимиром высказано мнение, что через стенки КС тоже будут значительные тепловые потери.
Что Вы скажете на это?

такой проблемы нет, все тепло будет перехватываться экраном (подсмотрел в гтд) и возвращаться в цикл.

Акцентируйте, пожалуйста, соображение, насколько снижаются динамические и тепловые нагрузки на лопасти, по сравнению с вариантом обычного сгорания смеси в секции между лопастями?

драматически. Диаграмма давления существенным образом зависит от фаз газообмена с кнс и скоростного режима двигателя. Ее можно сгладить почти произвольно, хотя и в ущерб экономичности.

Я это к тому, что возможно, эллиптические зубья окажутся вполне пригодными для снятия мощности, у которой вследствие Вашей КС резко снижены пиковые газовые нагрузки на лопасти...

Нет, лучше шарниры Гука. Для экспериментальной установки это вообще идеальный выбор. Кинематика та же.

 

[Olebug]

немного по поводу терминологии.
Я считаю КС синонимом КНС (камеры непрерывного сгорания - термин применительно к рлд Наджаряна).
Рабочей камерой (или активным объемом) я называю объем ометаемый лопастями.
Секцией я называю объем в рабочей камере между двумя лопастями.
Два ротора образуют единный модуль - биротор.
Конструкции роторов из условия обеспечения жесткости - только монолитные, т.е. лопасти и несущий их вал выполнены заодно.

 

[Olebug]

еще раз по поводу картинки к посту 2033, там если кликнуть на ее иконку, то ее мжно посмотреть в стандартном размере в отдельном окне броузера.

 

[Bиктор]

по поводу картинки к посту 2033

Если ее записать в формате gif, то она крупнее 🙂

Самая интересная кривая - изменение температур в отдельной рабочей секции!  Она всегда ниже, чем Т в КНС, и только на короткое время поднимается до температуры в КНС.

Обращает на себя внимание, что давление в холодной и горячей частях КНС одинаковое.

Несколько удивила относительно малая доля горячих газов в секции меж лопастями... (площади вверху)

Тогда закономерно следует только 4 бар среднего индикаторного давление за цикл. Двигатель попадает в класс дефорсированных и... надежных - для СЛА.

Делали ли Вы прикидку суммарного веса РЛД для таких параметров цилиндра?

Не играли ли с параметром соотношения диаметра цилиндра с его рабочей длиной?
Я к тому, что крутящий момент снижается незначительно линейно, а вредные инерционные силы снижаются пропорционально квадрату уменьшения диаметра цилиндра... с увеличением длины цилиндра (имеет смысл для авиамотора - снижение лобового сопротивления).
Кроме того, в случае приемлемости "вытянутого" цилиндра возможно повышение оборотов почти при прежнем крутящем моменте:  возрастет удельная на 1 кг веса мощность!

В последнем случае термодинамика РЛД с КНС ухудшится, имхо, незначительно, так как ее параметры больше зависят от потерь в КНС, относительные размеры которой остаются теми же.
Можете сказать, практично ли размещение Вашей КНС с торца мотора с уменьшенным миделем?

 

[Bиктор]

Вилли, расчитывали ли Вы величины изгибающих лопасть деформаций?
Умозрительно видится польза от таких деформаций, ибо такая лопасть, как в Вашем расчете (с углом 51[ch186]) должна бы своей механической деформацией перекоса УПЛОТНЯТь замкнутый в секции объем, уменьшая бесконтактный зазор.  Как раз в нужное время и в нужном месте 🙂

Чтобы исключить заклинивание в таком процессе, можно предусмотреть самоадаптацию бесконтактного зазора тем, что цилиндр выполнить с мизерной конусностью,

а ситалловые лопасти на конечной стадии притереть к "конусу" с пастой. А тот блок лопастей, который установлен с более широкой стороны "конуса", подпружить в осевом направлении малодеформируемой мощной пружиной, например, тарельчатой - с расчетным ходом на случай подклинивания в радиальном зазоре...
Как думаете?

 

[Bиктор]

Площадь поверхности КНС = 294.94 cm2
Площадь поверхности горячей зоны КНС = 90 cm2
Площадь поверхности аккумулятора давления = 10628 cm2

Вилли, поясните, пожалуйста, что детально подразумевается под аккумулятором давления?
Как он приводится в исходное рабочее состояние?
Почему в расчете его влияние, кажется, не предусмотрено?

 

[Olebug]

Самая интересная кривая - изменение температур в отдельной рабочей секции!  Она всегда ниже, чем Т в КНС, и только на короткое время поднимается до температуры в КНС.

Так и должно быть, было бы странно, хотя и полностью не исключено, если бы было иначе.

Обращает на себя внимание, что давление в холодной и горячей частях КНС одинаковое.

Конечно. Это связано с большим временем сечения, соединяющего их канала.

Несколько удивила относительно малая доля горячих газов в секции меж лопастями... (площади вверху)

Это зависит от коэффициента избытка воздуха альфа, при большей подачи топлива будет больше продуктов сгорания. В бензиновом альфа меняется между 0,9 (старые карбюраторные) и 1,2 в современных, работающих на бедной смеси. Я же в той диаграмме принял альфа = 1,5.

Тогда закономерно следует только 4 бар среднего индикаторного давление за цикл. Двигатель попадает в класс дефорсированных и... надежных - для СЛА.

Это не дефорсированный мотор. Это частный режим. Там легко сделать pi = 8 бар. Позже покажу диаграмму.

Делали ли Вы прикидку суммарного веса РЛД для таких параметров цилиндра?

Грубо около 25 кг без агрегатов.

Не играли ли с параметром соотношения диаметра цилиндра с его рабочей длиной?
Я к тому, что крутящий момент снижается незначительно линейно, а вредные инерционные силы снижаются пропорционально квадрату уменьшения диаметра цилиндра... с увеличением длины цилиндра (имеет смысл для авиамотора - снижение лобового сопротивления).
Кроме того, в случае приемлемости "вытянутого" цилиндра возможно повышение оборотов почти при прежнем крутящем моменте:  возрастет удельная на 1 кг веса мощность!

Это как раз и было основным предметом моей монографии. Там я вывел несколько безразмерных параметров оптимальности, включая кинематический для механизма связи (их ведь тоже надо сравнивать) и геометрический для конструкции роторов.

В последнем случае термодинамика РЛД с КНС ухудшится, имхо, незначительно, так как ее параметры больше зависят от потерь в КНС, относительные размеры которой остаются теми же.
Можете сказать, практично ли размещение Вашей КНС с торца мотора с уменьшенным миделем?

Не исключено, но вообще-то я пришел к выводу, что цилиндрические роторы не практичны, лучше тороидальные, а еще лучше - сферические.

 

[Olebug]

Вилли, расчитывали ли Вы величины изгибающих лопасть деформаций?

Конечно, тогда-то я осознал достоинство сферических роторов.
Думаю, что не сильно ошибусь, если скажу, что до сих пор мы видели работающие рлд, пусть плохо, но все же, только с тороидальным (один американский Анджел лэб с 8 лопастями и один аргентинский) и сферическим ротором (французкий мотор) только потому, что в цилиндрических лопасть при прогреве изгибается из-за неравномерности подвода тепла в сторону цилиндра и мотор клинит. Думаю, это произошло и у lmotor.

Умозрительно видится польза от таких деформаций, ибо такая лопасть, как в Вашем расчете (с углом 51[ch186]) должна бы своей механической деформацией перекоса УПЛОТНЯТь замкнутый в секции объем, уменьшая бесконтактный зазор.  Как раз в нужное время и в нужном месте 🙂

Контролируемая тепловая деформация? В принципе можно использовать, но скорость адаптации будет слишком небольшой, к тому же зависящей от неконтролируемых факторов, как температура окружающей среды. Нет, лучше стянуть идею у гтд - газостатический контроль.

Чтобы исключить заклинивание в таком процессе, можно предусмотреть самоадаптацию бесконтактного зазора тем, что цилиндр выполнить с мизерной конусностью,

Цилиндр отпадает.

а ситалловые лопасти на конечной стадии притереть к "конусу" с пастой. А тот блок лопастей, который установлен с более широкой стороны "конуса", подпружить в осевом направлении малодеформируемой мощной пружиной, например, тарельчатой - с расчетным ходом на случай подклинивания в радиальном зазоре...
Как думаете?

Думаю, для опытной машины нужно ореинтироваться на чугун/сталь (алюминий по понятным причинам исключается), позже, если будет возможность, можно будет поэкспериментировать с другими материалами/покрытиями.
Вот как раз для этого опытная установка должна быть
- с переразмереным (это чтоб не переживать за его ресурс) механизмом связи на основе шарниров Гука
- с полусферической крышкой с камерой сгорания (см. упомянутый ролик с французким сферическим рлд)
- с полусферической крышкой с газораспределительными окнами.
- со сферическим биротором
- в качестве нагрузки можно использовать встроенный гидравлический горный тормоз, скажем с коробки передач грузовика. Тогда не нужен стенд, а характеристики по мощности и моменту можно снять непосредственно с установки.
- топливную аппаратуру, поскольку не нужна синхронизация с мотором, можно выделить в отдельный сбоку стоящий модуль, приводимый от эл. сети.

Вилли, поясните, пожалуйста, что детально подразумевается под аккумулятором давления?
Как он приводится в исходное рабочее состояние?
Почему в расчете его влияние, кажется, не предусмотрено?

Я не говорил, что этот мотор рекуперативный? Да, это так. К тому же он может и стартовать под нагрузкой, к тому же очень резво :~)
А аккумулятор (ресивер) нужен для хранения запаса энергии в виде сжатого воздуха. На приведенной диаграмме он отключен, поскольку я пытался честно представить именно стационарный режим работы двигателя. При расходе воздуха из ресивера pi может быть больше 25, мощность соответственно больше 200 квт, недолго, естественно, но достаточно для разгона до 200 км/час.

 

[Alex_520]

Что получается с нагрузками на элементы синхронизатора?
Каков там был синхронизатор...?

Насчёт нагрузок на элементы синхронизатора ничего сказать не могу. Как говорили мне парни с завода, там проблема была немного в другом месте - ближе к выходному валу.

А выглядел тот синхронизатор внешне очень компактно и аккуратно - две идентичные "банки", вставляемые с двух сторон в дырку от бублика. Подсоединение к выходному валу у них было "со сдвигом по фазе" на 90 градусов. Причём менять их можно было не разбирая двигатель.

В общем тот движок был "нанизан" на выходной вал в виде стального стержня (можно его было сделать полым).