Роторно-лопастной двигатель. Начало.

[Bиктор]

применением зубчатого колеса с внутренним зацеплением. У такого зацепления кстати и нагрузочная способность гораздо выше. Кроме того, в этой кинематической схеме за счет применения внешнего зацепления 

Описка, кажется?
Упомянутые кинематические схемы, конечно, мыслимы, но никак не проще шариков с внутренним зацеплением с вмещающей канавкой.
Шарики попросту надо "взять" или купить, в отличие от шестерен. Канавки делать конечно сложнее, но не архисложно, - известная технология подшипниковой отрасли.

На всяких случай о мотивации: здесь не ставится задача создать идеальный РЛД и защитить "а ля диссертацию", а есть попытка "упростить, что можно" - для частных любителей СЛА.
Вопрос воплотимости - всегда сложный, когда в первый раз...
Но заинтересованные есть!   Даже, если такой мини-РЛД будет "просто украшать" чей-то стол или ... ЛА

 

[Bиктор]

Поэтому шарик будет больше скользить, чем крутиться. Поломается сразу

Что-то не часто приходилось видеть "поломанный шарик" (но видел!)
Я уже оправдывался тем, что упрощенная конструкция РЛД может изначально закладываться как "китайская одноразовая" - не требующая ремонта.  Замена мини-РЛД целиком - при регламентых работах, - должна быть дешевле
Хочется убедиться в возможности значительного удешевления РЛД...  Ну а ресурс заранее никто не осмелится назвать, не рискуя.
Качественные изделия Томчан работают (с шариками) в космосе без обслуживания до 20 лет   (см. Известия Томского института, науч. рук. Янгулов В.С.)

 

[Bиктор]

Возможность применения готовых ВАЗовских колец может заметно удешевить самодельный мини-РЛД.

Иллюстрацией мыслимых соотношений размеров может послужить поперечный эскиз.
Неплохо было бы в Солид Ворксе определиться с получающейся массой, инерционными силами и мех. напряжениями в зоне крепления лопасти к втулке-полуоси.
Один товарищ посоветовал крепить лопасть не на болтах (работающих на срез и растяжение), а на твердой пайке (у него есть "завод под рукой")

Результат моделирования нагрузок (в Солид Ворксе)  на материалы будет влиять только на определение практически допустимых оборотов и степени сжатия самодельного мини-РЛД.

При удобном раскладе можно, думаю, посчитать тепловой расчет для цикла Миллера (мало впустить воздуха "на всасе" у РЛД - не проблема). "Продленное" расширение, однако, может вдохновить на экономию топлива (прототип - на Мазде некоторых моделей). Для СЛА это тоже немаловажно при 4-х тактном процессе

(Извиняюсь за сравнительно большие рисунки: тонкие линии не терпят масштабирования)
Пока внутренняя окружность принята за "делительную" - по ней будет проходить сепаратор с шариками (между коаксиальными втулкой-полуосью и пустотелым валом).

 

[ingener]

Посмотрите, пожалуйста, на прилагаемый рисунок.

Хм...
Обычно большинство доказательств невозможного начинается с неправильного рисунка. И вы не оригинальны. У У вас на рисунке верхняя и нижняя канавки изображены так, как будто они перпендикулярны плоскости рисунка. А ведь в вашем механизме это не так?
А если они не перпендикулярны, то и чистого качения не будет. Будет качение с сильным скольжением. Что при нагрузках, характерных для обычных шарикоподшипников, приведет к сокращению ресурса до нескольких часов.
Но это теоретический пример, не имеющий отношения к вашему шариковому механизму. В нем достаточно сделать профиль верхней канавки аналогичным профилю нижней и число точек контакта уменьшится до двух, трение скольжения резко упадет, но все же останется. А в вашем шариковом механизме присутствие как минимум трех точек касания обусловлено обязательным касанием шариков с валом, "сепаратором" и втулкой. Сепаратор я взял в кавычки, потому что у вас эта деталь выполняет не вспомогательные функции, как в обычных подшипниках, а несет основные силовые нагрузки и трение с ним не будет слабым. Причем в вашем шариковом механизме точки касания принципиально не лежат в плоскости перпендикулярной траектории движения шариков.

согласитесь, что несущая способность шарика в округлой канавке может быть в РАЗЫ выше, чем у зубьев ?  Правда, за это надо платить снижением КПД...

Не соглашусь. Шарик в канавке с радиусом чуть больше радиуса шарика имеет контакт, только слегка приближенный к линейному, причем не по прямой линии, а по дуге окружности, что приводит к снижению КПД. А эвольвентные зубья имеют чистый линейный контакт, аналогичный контакту роликов в роликовом подшипнике.

Но зато, в "шариковом синхронизаторе" мало последовательных кинематических звеньев. Больше - параллельных (потери складываются арифметически, а не перемножаются). Или я не прав?

А что толку, если они все скользят, а не крутятся? Кроме того, суммарный зазор, приведенный к перемещению лопасти, у вас получится гораздо выше, чем у двигателя ё-мобиля. И потом вы совершенно напрасно надеетесь применить много шариков. У вас получится втиснуть только два ряда шариков, параллельных оси вала и расположенных по его диаметру. И только если на валу будут канавки не в виде наклонных эллипсов, как у вас , а правильные канавки с двумя вершинами и двумя впадинами. Если вы попытаетесь еще добавить рядов, то ваш механизм просто не сдвинется с места.

применением зубчатого колеса с внутренним зацеплением. У такого зацепления кстати и нагрузочная способность гораздо выше. Кроме того, в этой кинематической схеме за счет применения внешнего зацепления 

Описка, кажется?
Упомянутые кинематические схемы, конечно, мыслимы, но никак не проще шариков с внутренним зацеплением с вмещающей канавкой.

Никакой описки. Речь идет о шестернях двигателя ё-мобиля. У вас же нет шестерней?

На всяких случай о мотивации: здесь не ставится задача создать идеальный РЛД и защитить "а ля диссертацию", а есть попытка "упростить, что можно" - для частных любителей СЛА.
Вопрос воплотимости - всегда сложный, когда в первый раз...

Не понятно, какие могут быть мотивы разрабатывать двигатель, который при очень сложной конструкции с суперохлаждением сильно трущихся и поэтому сильно греющихся и при этом очень компактных узлов сможет проработать максимум несколько часов, а при простой конструкции - несколько минут.

 

[ingener]

Возможность применения готовых ВАЗовских колец может заметно удешевить самодельный мини-РЛД.

С ВАЗовскими кольцами объем двигателя получится эквивалентным объему более чем 2-х литрового обычного автомобильного двигателя. Кроме того цилиндрические кольца в торе работать не будут. Да и вообще при тепловых нагрузках РЛД и действии центробежной силы на смазку никакие кольца работать не будут. Только лабиринтные уплотнения и очень большие обороты. В итоге от задуманного вами размера следует ожидать около 400 л.с. Дешево не выйдет по любому.

 

[Bиктор]

В этой ветке уже местами опровергнуты некоторые доводы, приводимые Вами, или предложены решения, возможные только у РЛД, в силу его специфики, - метод обобщенных проекций может выстреливать вхолостую.
Образцы РЛД работали многократно - не взирая на инакомыслящих   Другое дело, - с какими ожиданиями к ним подходить. Видимо, ожидания - всегда у людей разные.  Ну и желания искать либо причины, либо возможности - тоже индивидуальны (есть желание, или его нет).

Мне приятен Ваш оптимизм: - "400лс" при указанных на эскизе размерах, - это было бы нечто среднее, между ГТД и ...

Большинство возражают как раз упирая на невозможность слишком высоких оборотов (ввиду инерционных сил).
Было бы интересно Ваше решение этой проблемы

 

[ingener]

Большинство возражают как раз упирая на невозможность слишком высоких оборотов (ввиду инерционных сил).

И совершенно правильно возражают. И особенно потому что на высоких оборотах знакопеременные инерционные силы замыкаются в двигателе ё-мобиля через шестерни с их зазорами, суммирующимися с зазорами в кривошипно-шатунных механизмах.
Если я пишу, что при таких габаритах от камер сгорания можно ожидать 400 л.с. еще не значит, что я уверен в том, что может существовать механизм синхронизации, способный их выдержать достаточно долго. Но я все-таки надеюсь, что удастся достичь оборотов, при которых лабиринтное уплотнение окажется достаточно эффективным, чтобы заметно не снизить КПД двигателя.
Конечно я не только не рассчитывал механизм с такими изменениями, я даже не вычерчивал его. Просто предполагаю, что если двигатель ё-мобиля, изображенный в анимированном ролике, проработал хотя бы несколько десятков часов, то при лучшей технологии изготовления у него будет достаточный ресурс.

Хотя если в ё-двигателе применен новый вид зацепления, названный эксцентриково-циклоидальным (ЭЦ) и верить заявлениям его авторов, что масса такого зацепления при одинаковом передаваемом моменте раз в 7 ниже, чем у эвольвентного (правда их показания расходятся), то может быть действительно в ё-двигателе уже все хорошо. Но я лично в этом сомневаюсь.

 

[JohnDoe]

Но я все-таки надеюсь, что применение внешнего зацепления позволит за счет уменьшения зазоров и повышения нагрузочной способности зубьев достичь оборотов, при которых лабиринтное уплотнение окажется достаточно эффективным, чтобы заметно не снизить КПД двигателя.

Ну могу предложить одно из решений по лабиринту, требующих проверки/расчёта специалистом. Я его одному из участников форума уже озвучивал , весьма уважаемому, теперь вот Виктору показал, вот остальным предлагаю. При сложных случаях обычно собирают консилиум, не полагаясь на одно, пусть самое авторитетное мнение.
Данное решение предполагает устройство лабиринта не "классическим"(устройством проточек), а "шахматным"

 

[ingener]

Данное решение предполагает устройство лабиринта не "классическим"(устройством проточек), а "шахматным"

Лабиринт может быть не только шахматным, но и сотовым. Применять выгодно в местах, где нет одного четкого направления утечек через щели. Щели можно минимизировать в процессе обкатки двигателя путем нанесения искусственного "нагара" на поверхность цилиндра и лопастей.

 

[JohnDoe]

Лабиринт может быть не только шахматным, но и сотовым. 

И в чём разница? ИМХУ только в толщине межячеячных стенок изображенного лабиринта.

Применять выгодно в местах, где нет одного четкого направления утечек через щели.

Применять выгодно практически везде, так как разворот потока будет повышать уплотнительные свойства. Просто не везде целесообразно ввиду очевидно большей сложности такого решения. Т.е. если проблемму можно минимизировать более простым/дешёвым способом, то нафиг не нать.
Предложенное решение ногами растёт из моей идеи. К проблемме сабже также применимо, по-сему и озвученно.

 

[ingener]

Имхо при параметрах газа в камере сгорания околозвуковое течение в щелях вполне достижимо. Поэтому геометрия лабиринтного уплотнения не очень важна, важно в основном количество переходов от дозвукового к околозвуковому течению. Это тоже легко решается. Так что основная проблема при лабиринтных уплотнениях - это стабильность минимальных зазоров. А вот с этим проблемы из-за теплового расширения и неоднородности геометрии и свойств цилиндра и лопастей. Сейчас в принципе существует программное обеспечение, позволяющее промоделировать динамику разогрева двигателя после пуска и при изменении режимов. Только это нужно учитывать в сочетании с деформацией конструкции под нагрузками  и колебательными процессами в зазорах подшипников и деталях. Не думаю, что для ё-мотора это уже все смоделировано. А поиск оптимума путем натурных испытаний различных образцов займет очень много времени. Это как раз тот случай, когда может выручить конструкторская интуиция. Жду с нетерпением результатов ресурсных испытаний е-мотора.

 

[Bиктор]

геометрия лабиринтного уплотнения не очень важна, важно в основном количество переходов от дозвукового к околозвуковому течению. Это тоже легко решается

Правильно ли я понял, что количество переходов (колебаний) скоростей утечек в щелях Вы подразумевали в единицу времени?

В "шахматном расположении" таких зон видится много, - модулирующих скорость протечек... - в каждом углублении скорость протечки должна падать. Вы об этом?  Мне видится тогда, что у сотовых "лабиринтов" тонкая стенка "соты" немного хуже, чем толстая стенка, соизмеримая с зоной "впадины"в "шахматном".
Как думаете?

Вы не упомянули отдельно о роли полезных вихрей в ходе протечек...
Насколько я знаю, вихри в пределах их жизни-существования устойчивы, да к тому же обладают повышенным сопротивлением для потока, "пытающегося пройти их насквозь" - происходит определенная временная задержка протечки.
Может быть, отсюда следует соображение полезности не квадратно-шахматных форм "расширительных камер", а конусных?  Типа множества "кратеров", оставленных острым кернером.  За несколько вечеров даже вручную можно это случайное множество накернить, потом только пошлифовать?

 

[Bиктор]

Повышенное количество циклов за один оборот в РЛД, по сравнению с 4-хтактными поршневиками, свидетельствует, что РЛД более "приспособлен" к лабиринтным уплотнениям - ход его времени как бы в 8 раз короче...

Виктор, а что Вы скажете о необходимой точности подвески роторных лопастей, чтобы они почти не касались стенок корпуса?
А если нет прижатия к стенкам, то нет и трения - механических потерь...
Ситуация ведь в РЛД в принципе много благоприятнее, чем у поршневиков с их неизбежным боковым прижатием поршня к цилиндру "враспор" ?
РЛД имеет право на проигрыш в мех.КПД коленвалу на жидкостной смазке, - он выигрывает в других отношениях, имхо.

Мне "чудится", что вращающиеся лопасти все-таки будут "импульсно" прикасаться к стенкам...

Величина механических потерь от таких нестационарных колебаний в зазоре не ожидается, имхо, большой.
Но могли бы ли Вы на глазок оценить долю таких механических потерь?
Еще.  Редко кто вспоминает, что есть моторные акустики, изучающие "звуковые" колебания механизмов.

Так вот, в ракурсе подхода к вращающимся и "излучающим колебания" лопастям - ведь протечки должны реагировать не только на лабиринты, но и на поперечные волны газов, от колебания высоты зазоров?

Редко кто знает выражение, что мелко вибрирующая деталь "жирная на ощупь", то есть снижает трение скольжения.
Да и "крупно прыгающая" трамбовочная машина легко управляется одной рукой, - подвластна уменьшению эффекта тормозящего трения при импульсном взаимодействии активно колеблющейся массы с опорной поверхностью.

В поршне, с его "перекладыванием" в стороны, мелкие вибрации подавляются .
В этом смысле "полезность вибраций"  звучит для "ортодоксов" специалистов-поршневиков ахинеей вообще.
Не является ли, на Ваш взгляд, РЛД с отличиями его кинематики от поршневиков "благодатной почвой" для осмысленного внедрения "смазки жирной вибрацией" ?

 

[ingener]

Правильно ли я понял, что количество переходов (колебаний) скоростей утечек в щелях Вы подразумевали в единицу времени?

В "шахматном расположении" таких зон видится много, - модулирующих скорость протечек... - в каждом углублении скорость должна падать. Вы об этом?

Нет, я имел ввиду количество сужений потока в щели в штуках. Дело в том, что расширяясь, теряя давление при прохождении сужений, газ увеличивает свою скорость. Но только до достижения скорости звука. При одинаковой ширине щелей дальнейшее увеличение количества щелей или их тормозящих аэродинамических свойств не имеет смысла, так как скорость намного ниже скорости звука не опустится. При скоростях существенно ниже скорости звука лабиринтные уплотнения мало эффективны. Так что для дальнейшего повышения эффективности лабиринтных уплотнений остается только один основной путь - уменьшение ширины и длины щели.
А для снижения процента относительных потерь газа от утечек в щелях нужно чтобы скорость лопастей в РЛД была заметна по сравнению со скоростью звука - хотя бы 30 м/с или более. И это на минимальных оборотах рабочего диапазона. То есть у РЛД с диаметром тора 100 мм минимальные рабочие обороты должны быть выше приблизительно 6000 об/мин. Соответственно максимальные обороты около 12000 об/мин. Поэтому требования к шестерням, вынужденным выдерживать инерционные и ударные нагрузки от довольно тяжелых лопастей, при лабиринтном уплотнении возрастают до немыслимых значений. Но если видеть цель, верить в себя и не замечать препятствий, то можно проходить сквозь стены. 

 

[ingener]

Виктор, а что Вы скажете о необходимой точности подвески роторных лопастей, чтобы они почти не касались стенок корпуса?

Грубо оценить требуемый размер щелей очень просто. Допустим мы согласны потерять за один цикл 10% газа в рабочем объеме и скорость в щелях равна скорости звука. Тогда отношение площади щелей к площади лопасти должно быть равно 1/10 отношения скорости лопасти к скорости звука.
При скорости лопасти 33 м/с площадь щелей может быть равна 1/100 от площади лопасти. Ширина щели при этом равна 1/400 от диаметра лопасти. Для лопасти диаметром 60 мм щель должна быть не более 0,15 мм. Это очень мало, но достижимо.

Мне "чудится", что вращающиеся лопасти все-таки будут "импульсно" прикасаться к стенкам...

Нет.
Ни в коем случае. При скоростях порядка 30 м/с и более да еще без смазки металл лопастей будет будет мгновенно привариваться к металлу тора и разлетаться в пыль. В общем - заклинит сразу или зазоры увеличатся до неприемлимых значений. Даже если наносить какие-либо антизадирные покрытия типа никосила или другие, то не думаю, что их хватит надолго.
Рулит только точная механика и расчет всех деформаций для обеспечения несоприкасаемости лопасти и тора. Частично этому будут способствовать аэродинамические силы, которые будут тянуть лопасть в сторону большего зазора и слегка демпфировать колебания.

Кстати, на модели ё-мотра, демонстрировавшейся на выставке, собранной якобы из бракованных деталей, видны следы таких "случайных" прикасаний. Не те подшипники они применили. Да и вообще рекламные заявления о более слабых допусках к точности при изготовлении такого мотора наверное расхолаживают и самих конструкторов. Несерьезно у них как-то. Слишком много шишек им нужно набить, чтобы серьезнее относились к проектированию такого двигателя.
Кстати, обороты 6000 - 12000, о которых я говорил, относятся к лопастям. Это соответствует 3000 - 6000 на валу ё-мотора. Так что 6000 об/мин, о которых говорят производители, вполне соответствуют поршням с лабиринтным уплотнением. Только двигатель с их габаритами должен развивать не 45 кВт, а раза в два больше.

И еще. На ё-мотре стоят по виду обыкновенные шарикоподшипники. Сомневаюсь, что их ресурс на 12000 оборотах будет достаточным. В общем, для того, чтобы ё-мотор работал, вся промышленность должна подняться на новый уровень.

 

[JohnDoe]

А вот, с полгода как, посетила ещё одна мысль по лабиринтам: что если выполнить на цилиндрическом(или близком к оному) поршне(хоть РЛД, хоть оычного ДВС) ОДНУ спиральную канавку? Типа в качестве кольца использовать пружину навитую виток к витку, или поршень в виде затупленного шурупа/шпильки с резьбой?

 

[ingener]

ОДНУ спиральную канавку?

Цилиндр в результате прогрева принимает разные коническо-бочкообразно-эллиптические формы. поэтому кольца в виде спиралей могут просто клинить. И канавки при наличии колец нафига? Просто чтобы жизнь медом не казалась? А если уж канавки, то нафига спиральные?
В принципе и обычный, но тронковый четырехтактный поршневой двигатель тоже можно сделать без колец, с лабиринтными уплотнениями и очень высокими оборотами. Только в этом случае на клапана нужно ставить намного более толстые пружины и проблемы растут тоже так, что смысл теряется. Даже керамические поршень и цилиндр и отсутствие их охлаждения могут не окупить дополнительные потери. А вот в РЛД  - кто его знает, возможно и получится перейти на керамику. Во всяком случае конструкция сама этого просит.
Я в молодости довольно часто ездил на своем Минске с залегшими кольцами и задранном цилиндре. То есть практически без колец и без лабиринтных уплотнений. И ничего, только завести было очень трудно практически совсем без компрессии и на малых оборотах двигатель даже сам себя еле раскручивал. А на максимальных оборотах потеря мощности практически не заметна была - на глаз процентов 10, не более.

 

[Bиктор]

А вот в РЛД- кто его знает, возможно и получится перейти на керамику. Во всяком случае конструкция сама этого просит.

Можно это так понимать, что, например, тонкий слой окислов на (алюминиевых) поверхностях РЛД, полученный способом микро-дугового оксидирования, - уже и есть применение керамики?

А тонком слое речь потому, что нужно не сильно демпфировать теплопередачу в толщу материала.
В украинском вестнике ДВС пишут о таком, как о средстве не пустить в глубь материала цикловое тепло, но пустить достаточно "холода" от впускаемого свежего заряда.
Так, что возникают термодинамические колебания температуры по циклу только в поверхностном слое материалов (уменьшены и потери тепла в корпус), который в виде оксидов - хорошо эти термоколебания переносит.

 

[Bиктор]

То есть практически без колец и без лабиринтных уплотнений

Маленький коллектив, который в Украине строит не первый образец РЛД, пробовал поначалу обойтись только лабиринтными уплотнениями - это оказалось "морокой", ввиду плохого качества зазора в заказных деталях современной украинской промышленности... Плохо заводился и отвлекал этим от собственной программы работ по синхронизатору.

 

[ingener]

Можно это так понимать, что, например, тонкий слой окислов на (алюминиевых) поверхностях РЛД, полученный способом микро-дугового оксидирования, - уже и есть применение керамики?

Это тоже применение керамики, но я имею ввиду другое. Применить керамику в основном для устранения необходимости охлаждения двигателя, то есть перейти к адиабатному двигателю, КПД которого будет очень близок к теоретическому термодинамическому КПД. Для этого керамика должна обладать термоизоляционными свойствами, очень низким коэффициентом температурного расширения, малым коэффициентом усадки при спекании и достаточной механической прочностью. Тогда двигатели (тор и лопасти) можно будет буквально штамповать. Керамика с похожими свойствами уже есть. Только она категорически не может работать в качестве пар трения. Но от нее в этом двигателе это и не требуется. Осталось только отладить технологию.