Роторно-винтовой двигатель

[Bulagen]

Стоит-ли у объёмной машины ( при всех их недостатках) отбирать последнее преимущество: подобие изохорного сгорания заменять изобарным. 

При некоторых режимах объемники могут реализовать условно изохорное сгорание, когда постепенное вытеснение предварительно сжатых газов из компрессора (после вскрытия капсулы компрессора в камеру сгорания) компенсируется таким же постепенным заполнением первичной капсулы в экспандере и суммарный объем между компрессором и экспандером остается в некотором смысле условно постоянным.

 

[gorgee]

Уважуха! Готов помогать, посильно, и даже без денег.

Есть серьезная проблема. Сажа! она налипает на винты и их заклинивает.
В ГТД лопатки турбины прогреваются так что вся сажа выгорает, а незначительное ее количество на лопатках не ведет к катастрофе, максимум к снижению кпд.
В поршневых и роторно-поршневых моторах стенки цилиндра вычищаются кольцами (апексами) подобно скребкам. Копоть остается только на клапанах, головке и поршне. Эта копоть способствует постепенному прогару клапанов, но всё же не ведет к катастрофе.
А в винтовых машинах сажа не удаляется. Нет самоочистки. Два винта плавно перекатываются друг по другу даже местами со скольжением, и это не снимает сажу. Ее так же не выбрасывает центробежными силами, налипает хорошо и никакая виброотчистка не поможет. Что делать? Как решить проблему?
Я понимаю что нужно оптимизировать камеру сгорания, улучшить распыл топлива, правильно настроить блок управления двигателем, но это не исключит полностью сажеобразование, особенно при работе на солярке. К тому же есть текущие мелкие поломки типа: форсунка засорилась и стала хуже распылять, датчик какой нибудь сломался и блок управления дает неправильный состав смеси. В результате будет повышенное сажевыделение и клин мотора. Но эти поломки не должны вести к аварийному останову двигателя.

Я попробовал ввести впрыск масла в винтовую пару расширительной части. Ситуация лучше не стала, поначалу масло начинает вымывать сажу, потом само начинает гореть и становиться еще больше сажи. А расход масла катастрофический даже через микрожиклер.  Я заменил масло на антифриз. Ситуация заметно улучшилась. От антифриза почти нет сажи, он вымывает роторы, значительно дешевле масла и сбивает температуру с роторов (системы охлаждения ведь пока нет). Но он не липнет к поверхностям и его разбрасывает центробежными силами.Смазывающие свойства конечно плохие. Роторы вращаются в тумане антифриза. В принципе меня эта ситуация на данном этапе устраивает. С таким решением я смогу делать кратковременные запуски и сделать замер крутящего момента (хоть и в ущерб ресурсу двигателя).  Но проблема остается открытой.
Я сделал ошибку когда приобрел маслозаполненные винтовые блоки для опытного образца. Нужно было брать компрессора сухого сжатия, они идут с синхронизирующими шестернями. В этих компрессорах винты не касаются ни корпуса, ни друг друга. Полностью бесконтактная работа. Возможно в таком исполнении налипшая сажа меньше влияла бы на вращение винтов.
В любом случае следующий образец двигателя будет изготавливаться с шестернями. Но уверен что это не решит полностью проблему. Должна быть самоочистка винтов. Наверное придется прорабатывать свой профиль винтов.
Если есть идеи, поделитесь.

Ещё в 90-х была заметка в ИРе о высокотемпературной жидкости,наверно можно поискать,что то и посвежее.
Но сажа сажей,а если не обеспечить уплотнение,то будет то,что было в Одессе,с поршнем у которого залегли кольца.
http://i.piccy.info/i9/6e92bc4fdfdfb12cc4100b4039df06b8/1472128221/260122/996941/20160304_145704.jpg

 

[miharus]

Стоит-ли у объёмной машины ( при всех их недостатках) отбирать последнее преимущество: подобие изохорного сгорания заменять изобарным. 

При некоторых режимах объемники могут реализовать условно изохорное сгорание, когда постепенное вытеснение предварительно сжатых газов из компрессора (после вскрытия капсулы компрессора в камеру сгорания) компенсируется таким же постепенным заполнением первичной капсулы в экспандере и суммарный объем между компрессором и экспандером остается в некотором смысле условно постоянным.

Нужна синхронизация и малый объём КС, которыми здесь и не пахнет.

 

[Bulagen]

Нужна синхронизация и малый объём КС, которыми здесь и не пахнет.

В установившемся режиме объем КС никакой роли не играет и синхронизация становится автоматически не нужна, поскольку колебания из-за рассинхронизации постепенного вытеснения компрессорной капсулы и постепенного наполнения рабочей капсулы уже компенсируются (смягчаются) за счет большого объема КС).

 

[miharus]

😉

Нужна синхронизация и малый объём КС, которыми здесь и не пахнет.

В установившемся режиме объем КС никакой роли не играет и синхронизация становится автоматически не нужна, поскольку колебания из-за рассинхронизации постепенного вытеснения компрессорной капсулы и постепенного наполнения рабочей капсулы уже компенсируются (смягчаются  терятся) за счет большого объема КС).

1) Описываете режим когда давление (Ркс) в КС больше чем давление в последнем витке компрессора (Рк) перед открытием в КС? -> Придется получать "отдачу" в компрессор :'(  (и изобарное сгорание при Ркс>Pк) :'( .
2) Когда давление в КС = давлению в последнем витке Компрессора, -> изобарное сгорание (при Ркс=Рк)  :'( .

Для других вариантов (изохорных) режимов нужен учет объемов и правильная синхронизация.

 

[Андрей Миллер]

Есть серьезная проблема. Сажа! она налипает на винты и их заклинивает. 

Публиковал уже здесь раньше. Может Вы этого не видели. Раз у Вас авиационная КС, то в тему:

 

[Андрей Миллер]

Почему не набирает я понять не могу. Хотя если надуть камеру сгорания и поджечь то расчетные 7 бар избытка в камере держит самостоятельно без посторонней помощи. 

Насколько я знаю, все неудачи в ГТД ранее были связаны с невозможностью создать газовую турбину с КПД выше 70% и компрессор с КПД выше 65%.
Так получается, что только при таких значениях ГТД может выдавать полезную мощность (хоть какую то).
Как с КПД у винтовых пар я не в курсе. Но он может быть и не таким высоким. Одно дело на стройке воздух качать, другое в цикле участвовать...

 

[KV531]

Почему не набирает я понять не могу. Хотя если надуть камеру сгорания и поджечь то расчетные 7 бар избытка в камере держит самостоятельно без посторонней помощи. 

Насколько я знаю, все неудачи в ГТД ранее были связаны с невозможностью создать газовую турбину с КПД выше 70% и компрессор с КПД выше 65%.
Так получается, что только при таких значениях ГТД может выдавать полезную мощность (хоть какую то).
Как с КПД у винтовых пар я не в курсе. Но он может быть и не таким высоким. Одно дело на стройке воздух качать, другое в цикле участвовать... 

На ютубе есть видео с самодельными гтд из консервных банок. Это смешно, но "оно" что-то дует.
И так же есть масса видео материала с микро гтд из турбокомпрессоров. Изучая эти видео детально, я обратил внимание что неправильно подобранный турбокомпрессор очень плохо запускается и почти не раскручивается. Хотя кпд крыльчаток на высоком уровне. Все серийные изделия. В основном это турбокомпрессора от дизельных двигателей. У них горячая улитка и турбина больше чем компрессор. Такие гтд работают очень плохо. А вот турбокомпрессоры от бензиновых двигателей раскручиваются без проблем, и даже размер камеры сгорания особо не влияет на работу. Но ребята заведомо стараются делать КС побольше, что бы пламя не вылазило в турбину. Это просто мои наблюдения.
А у винтовых компрессоров при хорошем исполнении кпд 68%.
Думаю цифра достаточная что бы на основе этих агрегатов сделать двигатель.

 

[KV531]

Нужна синхронизация и малый объём КС, которыми здесь и не пахнет.

В установившемся режиме объем КС никакой роли не играет и синхронизация становится автоматически не нужна, поскольку колебания из-за рассинхронизации постепенного вытеснения компрессорной капсулы и постепенного наполнения рабочей капсулы уже компенсируются (смягчаются) за счет большого объема КС).

Про синхронизацию роторов я думал. И пульсация действительно в КС присутствует. И сама КС является ресивером и частично гасит колебания. А маленькую КС сделать нельзя, не будет работать. Поэтому предполагаю что правильная синхронизация роторов даст прирост кпд, но очень незначительный. Но этот вопрос я буду исследовать позже.
Воткнем пьезо-датчик высокого давления в КС, подключим осциллограф. Изготовим несколько соединительных муфт с разной фазировкой и будем мерить крутильный момент на стенде. В результате замеров будет одна фазировка с минимальной пульсацией в КС и крутящий момент при этом, и максимальной пульсацией. Предполагаю что при максимальной пульсации в КС будет кпд двигателя выше, но при этом появится 
склонность к срыву пламени на некоторых режимах и возрастут нагрузки на выходном редукторе и на синхронизирующих шестернях.
Это уже второстепенные задачи. Сейчас нужно отработать процесс горения.

 

[Bulagen]

1) Описываете режим когда давление (Ркс) в КС больше чем давление в последнем витке компрессора (Рк) перед открытием в КС? -> Придется получать "отдачу" в компрессор   (и изобарное сгорание при Ркс>Pк).
2) Когда давление в КС = давлению в последнем витке Компрессора, -> изобарное сгорание (при Ркс=Рк) .

Для других вариантов (изохорных) режимов нужен учет объемов и правильная синхронизация.

В принципе все правильно, но есть несколько "НО".
1. При Vкс>>Vк влияние "пульсации объема" а значит и "пульсация давления" будут иметь место, но будут при этом незначительными, именно поэтому я пишу что:

При некоторых режимах объемники могут реализовать условно изохорное сгорание

если внимательно присмотреться, то можно увидеть смягчение уровня категоричности выраженное словом "УСЛОВНО".


2. Что касается второго вашего пункта, то равенство давлений Ркс и Pк в расширительной машине не может считаться подтверждением изобарности процесса сгорания, потому, что нужно рассматривать суммарный объем V[sub]S[/sub]=Vкомпр+Vкс+Vрасш в этом суммарном объеме происходят постепенное вытеснение газов из капсулы в компрессоре, заполнение капсулы в экспандере (я предпочитаю слово рабочая машина), сгорание вытесняемых из компрессора газов, при этом работа по вытеснению в компрессоре компенсируется работой по заполнению в экспандере

 

[Bulagen]

Про синхронизацию роторов я думал. И пульсация действительно в КС присутствует. И сама КС является ресивером и частично гасит колебания. А маленькую КС сделать нельзя, не будет работать. Поэтому предполагаю что правильная синхронизация роторов даст прирост кпд, но очень незначительный. Но этот вопрос я буду исследовать позже.
Воткнем пьезо-датчик высокого давления в КС, подключим осциллограф. Изготовим несколько соединительных муфт с разной фазировкой и будем мерить крутильный момент на стенде. В результате замеров будет одна фазировка с минимальной пульсацией в КС и крутящий момент при этом, и максимальной пульсацией. Предполагаю что при максимальной пульсации в КС будет кпд двигателя выше, но при этом появится 
склонность к срыву пламени на некоторых режимах и возрастут нагрузки на выходном редукторе и на синхронизирующих шестернях.
Это уже второстепенные задачи. Сейчас нужно отработать процесс горения.

Забейте пока на пульсацию. Важнее решить проблему устойчивости регулирования и проблему образования нагара.
первое может быть решено установкой компрессора и экспандера с разной объемной производительностью (хотя бы в полтора раза) второе разделением потоков на КС и байпас и регулирования пропорции потока между ними, кроме того возможно хороший эффект даст установка проволочной пушенки в на выходе КС и в месте слияния потоков из КС и байпаса. Эта пушонка будет задерживать частицы сажи и дожигать их.

 

[Андрей Миллер]

А у винтовых компрессоров при хорошем исполнении кпд 68%.
Думаю цифра достаточная что бы на основе этих агрегатов сделать двигатель.

Получается что "турбина" у Вас на грани, а по компрессору перебор. Может поэтому таких двигателей и нет.

 

[KV531]

Забейте пока на пульсацию. Важнее решить проблему устойчивости регулирования и проблему образования нагара.
первое может быть решено установкой компрессора и экспандера с разной объемной производительностью (хотя бы в полтора раза) второе разделением потоков на КС и байпас и регулирования пропорции потока между ними, кроме того возможно хороший эффект даст установка проволочной пушенки в на выходе КС и в месте слияния потоков из КС и байпаса. Эта пушонка будет задерживать частицы сажи и дожигать их.

Я писал что растачивал проточную часть расширительной машины. Сейчас у компрессора и экспандера разная объемная производительность (примерно в 2-2.5 раза).
Регулировка мощности устойчиво регулируется подачей топлива.   
Вентиль на форсунке закручиваю - давление в КС падает (вижу манометр) и обороты падают, откручиваю - давление растет до определенного предела, потом перестает расти и идет дым. Значит переобогатил смесь. Потом за этим будет следить блок управления.  Не могу понять зачем городить байпасный канал.
Должен сказать что на бензине и пропане работает устойчиво, а вот на метане плохо. Сложнее поджечь, пламя легко сбивается. Зато никакой сажи вообще.
Вчера доработал жаровую трубу, и на метане стало лучше работать, но все равно не устойчиво.

Проволочная пушенка, думаю, не выход из положения. Закоксуется моментально, а потом сгорит вместе с сажей. Разве что из вольфрамовой нити делать. Но и вольфрам окисляется быстро при температуре 700 град.С. Потом абразивная окись вольфрама полетит в роторы. Да и лишнее сопротивление в проточной части ни к чему.
По поводу сажи остановился на следующем решении. Сейчас установлен впрыск антифриза в винтовую пару и за топливо взят пропан и метан. Экспериментирую с обоими газами. На пропане работает хорошо, но его сложно засунуть в КС. На метане работает плохо, но с его подачей нет проблем. И никакой сажи. Этих решений достаточно что бы сделать замер мощности.
А на следующий двигатель, работающий на жидком топливе, буду моделировать самоочищающийся профиль винтов.

 

[KV531]

А у винтовых компрессоров при хорошем исполнении кпд 68%.
Думаю цифра достаточная что бы на основе этих агрегатов сделать двигатель.

Получается что "турбина" у Вас на грани, а по компрессору перебор. Может поэтому таких двигателей и нет.

Как нет? У меня в мастерской стоит один  🙂
Когда он пошел за 6000 об/мин я чуть в штаны не наложил. Сижу ведь лицом возле него, вентиль топливный кручу....

 

[Андрей Миллер]

Как нет? У меня в мастерской стоит один 
Когда он пошел за 6000 об/мин я чуть в штаны не наложил. Сижу ведь лицом возле него, вентиль топливный кручу....

Так ГТД строили сто лет и все они работали, но вот мощности не давали. В том то все и дело. Еще Гольцверт в 1913 году построил ГТУ с расчетной мощностью 1000 сил, а получил только 200 на стенде.
Этот двигатель очень зависит от технологических достижений в  самых разных областях - материалы, газодинамика и тд.

 

[Андрей Миллер]

А по саже у Вас один путь - покрывать "платиной" (катализатором) поверхности винтов. ПО другому ничего хорошего не будет. То есть сделать из них каталитический нейтрализатор...

 

[МаГент]

растачивал проточную часть расширительной машины. Сейчас у компрессора и экспандера разная объемная производительность (примерно в 2-2.5 раза).

Этого недостаточно, считаю. Чтобы машины работали на одном валу нужно для реализации мощности, чтобы площади проекции рабочих полостей компрессора и рабочей машины (РМ) на поперечную плоскость имели соотношение примерно 1/1.5-1/2.
Кроме того для запуска потребуется что-то вроде сцепления или обгонной муфты. Сначала стартер крутит только компрессор, РМ стоит, давление в КС растет, потом РМ раскручивается от полученного давления в КС, потом включается горение, затем РМ соединяется с компрессором наглухо.

 

[Zangy]

А каких параметров рабочего процесса предполагается в итоге достичь?
Давление в КС?
Температура газов на входе в турбину?
От этих двух параметров напрямую зависит КПД.

Как организовать охлаждение?
Как обеспечить минимизацию утечек при высоких температурах и соответствующих деформациях роторов и статора? Срабатываемые покрытия?

Сильно подозреваю, что в задуманной размерности (500+ л.с.) КПД центробежного компрессора и осевой турбины будет выше, чем винтовых агрегатов. Т.е. рабочий двигатель построить можно, но удельный расход будет заметно выше существующих конструкций.

 

[МаГент]

Т.е. рабочий двигатель построить можно, но удельный расход будет заметно выше существующих конструкций.

Так и что вы предлагаете? Ничего не делать? Уверен, что автор эти вопросы тоже себе задавал, но решил попробовать, за что ему и уважуха.
Как раз в размерности меньше 1000 кВт ГТД неконкурентоспособен с объемными машинами. Есть все шансы на успех. Хотя бы экспериментальной машины.

 

[Zangy]

Делать или не делать - на усмотрение автора, в любом случае.
Я пытаюсь понять преимущества такой конструкции перед ГТД и поршневыми и область практической применимости.

Пока что КПД кажется небольшим из-за ограниченной температуры газов перед турбиной. Давление можно нарастить практически до любых требуемых величин путём турбонаддува или многоступенчатого компрессора, но без доведения рабочей температуры хотя бы до 1000 толку от этого будет немного.
Справится ли с такой температурой выбранная система охлаждения - вот вопрос.