Роторно-винтовой двигатель

[KV531]

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. 

Я думал про это. Хотел взять винтовую пару для расширительной машины побольше. Но это привело бы к снижению максимальных оборотов, а значит и мощности. К тому же если равняться на поршневой мотор, то там объем компрессора и РМ одинаковый, так как это одно и тоже. То есть какой объем на входе, такой и на выходе. И если сделать РМ больше, то не хватит энергии для раскрутки турбокомпрессора. У меня ведь комбинированный мотор как турбодизель. Вот и остановился на варианте равных объемов, но разной проточнойй части.

 

[KV531]

А про обгонную муфту - это интересная идея. Я ее обдумаю. Если не удастся уйти от пневмозапуска, то можно будет внедрить.

 

[KV531]

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.

Давление в КС без наддува 8 бар абсолютного. Турбокомпрессор навалит еще 2 бара избытка (это не больно для него, кратковременно может 3). Если 2 бара избытка сверху, то это степень сжатия 3. Умножим на те 8 что есть в КС и получим 24 абсолютного давления. Пересчитал на крутящий момент с вычетом всех потерь на трение, насосы, компрессор, получилось примерно 220-230 Нм.
Температура перед расширительными винтами будет 2000-2200 град.С. Но фокус в том что это не лопатки турбины которые сложно охлаждать. Винты - это объемные тела, которые можно изготовить пустотелыми и прогнать через них воду.
В итоге температура винтов не превысит 120-150 град.С
По паспорту те компрессора, которые я выбрал, можно греть до 110 град.С. и рабочие зазоры остаются в норме. Нагрузки воспринимают согласующие шестерни. Работа винтов бесконтактная, необходимость в покрытиях отпадает (разве что, может антипригарное).
При изготовлении следующего мотора сделаю корректировку по температурному зазору не на 110, а на 150 град.С. Зазор не сильно увеличится.

 

[МаГент]

Вот и остановился на варианте равных объемов, но разной проточнойй части.

Причины понятны. Проблема в том, что проточив проточную часть вы просто перепускаете часть рабочего газа мимо турбины - винта. Его энергия в работу не переходит.
Если вал один, то объемы нужны разные. Если объемы одинаковые, то понижающая передача, тут без вариантов.

 

[KV531]

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.

Преимущества на мой взгляд следующие. Есть диапазон мощностей от 400 до 1000 л.с. Этот диапазон востребован рынком. Но поршневые моторы в этом диапазоне тяжелые (а форсированные - ненадежные и недолговечные). А ГТД неэффективные и узконаправленные (нету динамики разгона).
А вот предложенный мотор, объединяющий в себе преимущества
выше перечисленных моторов очень даже превлекателен.
Я не пытаюсь сотворить двигатель с высоким кпд что бы переплюнуть всё остальное. Я пытаюсь сделать приемлемый вариант мотора для заданного диапазона мощностей, в котором он будет работать пусть с немного меньшим кпд, но с хорошими тяговыми и массо-габаритными характеристиками. И в итоге на нем будет выгодней летать или плавать чем на всем остальном.

А про температуру я уже писал. Есть возможность проливать воду через винты, а значит будем дуть и давить до усёру.
Из плюсов могу обозначить многотопливность, неприхотливость в обслуживании, огромный ресурс в виду отсутствия трения на винтах и газовой эрозии (поверхность винтов холодная). Так же отсутствие клапанов и поршневых полец и кучи дополнительных деталей повышают надежность механизма. А высокооборотность, разделение зоны сжатия и расширения, постоянное горение - позволяют ускорить процесс цикла и снимать большую мощность при малом весе мотора.

 

[KV531]

Вот и остановился на варианте равных объемов, но разной проточнойй части.

Причины понятны. Проблема в том, что проточив проточную часть вы просто перепускаете часть рабочего газа мимо турбины - винта. Его энергия в работу не переходит.
Если вал один, то объемы нужны разные. Если объемы одинаковые, то понижающая передача, тут без вариантов.

Возможно вы и правы. Есть мысли взять еще один винтовой блок с другими параметрами и переделать расширительную машину. Но сначала добью то что уже сделано и замерю момент. Все-равно в дальнейшем нужно будет проводить сравнительный анализ. Чем больше данных соберем, тем лучше.

 

[МаГент]

Чем больше данных соберем, тем лучше.

Логично.
Тут есть еще один момент, который надо учитывать. Такой компрессор в качестве рабочей машины (РМ) имеет особенность, что он не является расширительной машиной, и поэтому выкидывает много рабочего газа в атмосферу. То есть при заполнении полости давление в ней равно давлению в КС(в первом приближении), а поскольку КС намного больше полости в РМ, в КС давление почти не снижается. Затем полость РМ открывается в атмосферу (на выхлоп) и газ из полости с давлением равным давлению в КС вырывается, при этом портя крайние витки винтов и корпуса РМ. Поэтому на выхлопе обязательно надо ставить что-то типа турбокомпрессора, причем приличной мощности.

 

[Андрей Миллер]

КПД центробежного компрессора и осевой турбины будет выше, чем винтовых агрегатов.

Однозначно выше. КПД винтовых ступеней в 68% недостаточен для получения нормальной мощности.
Причем этот КПД только компрессора. Что будет с КПД при высокой температуре непонятно, ну лучше точно не будет.... 🙂

 

[KV531]

Тут есть еще один момент, который надо учитывать. Такой компрессор в качестве рабочей машины (РМ) имеет особенность, что он не является расширительной машиной, и поэтому выкидывает много рабочего газа в атмосферу. То есть при заполнении полости давление в ней равно давлению в КС(в первом приближении), а поскольку КС намного больше полости в РМ, в КС давление почти не снижается. Затем полость РМ открывается в атмосферу (на выхлоп) и газ из полости с давлением равным давлению в КС вырывается, при этом портя крайние витки винтов и корпуса РМ. Поэтому на выхлопе обязательно надо ставить что-то типа турбокомпрессора, причем приличной мощности. 

Коллега вы ошибаетесь. Не путайте винтовой компрессор с нагнетателем типа Рутса. В нагнетателях Рутса нет внутреннего сжатия. Они, подобно шестеренному насосу, просто перегоняют среду из одного места в другое. Такие машины не в состоянии надуть выше 3-4 бар, потому и относятся к нагнетателям. Двигатель из таких нагнетателей наверное вообще работать не сможет.
А в винтовых компрессорах есть внутреннее сжатие. Следовательно у рабочей машины есть внутреннее расширение.
В моем случае рабочая машина имеет степень расширения 2. То есть при абсолютном давлении в камере сгорания 8 бар, я имею давление перед выходом в выпускной коллектор 4 бара.

 

[KV531]

КПД центробежного компрессора и осевой турбины будет выше, чем винтовых агрегатов.

Однозначно выше. КПД винтовых ступеней в 68% недостаточен для получения нормальной мощности.
Причем этот КПД только компрессора. Что будет с КПД при высокой температуре непонятно, ну лучше точно не будет.... 🙂

Наверное вы правы. Но очень хочется сделать и посмотреть что будет в итоге.
Кстати сегодня удалось запустить на метане. Сложно поджечь. Из 4-х запусков только один удался. Причем двигатель взвизгнул 
с 2000 об/мин до.... ушел точно за 8000 за 1 секунду. Судя по звуку было где-то 9000-10000 об/мин. Я не мерил.
Отработаю поджиг потом сделаю замер оборотов и сниму новое видео. По звуку похож на литровый спорт байк без глушителя.

 

[МаГент]

https://youtu.be/Yd14Fjtk8as
Посмотрите здесь. Очень наглядная анимация.
Сам пересмотрел. Похоже вы правы. Но степень 2-4 слишком мало. Пожалуй можно последовательно поставить вторую ступень. Будет 16. Уже лучше.

 

[KV531]

https://youtu.be/Yd14Fjtk8as
Посмотрите здесь. Очень наглядная анимация.
Сам пересмотрел. Похоже вы правы. Но степень 2-4 слишком мало. Пожалуй можно последовательно поставить вторую ступень. Будет 16. Уже лучше.

Анимация отличная. Прежде чем изучить учебник по винтовым машинам я начал именно с этой анимации.
Про вторую ступень все правильно. И она есть, только в виде турбокомпрессора. Я ведь говорил что это комбинированный двигатель.
А про степень сжатия неправильно. Я вот как думаю. Если в гтд степень сжатия например 4, то и давление в КС будет примерно 4. Так как компрессор не способен закачать больше.
А у винтовых машин не так. При степени сжатия 4 идет внутреннее сжатие до 4 бар, потом открывается нагнетательный патрубок и может идти дожатие во время нагнетания (при условии если давление в КС больше). Таким образом получается что при общей степени сжатия двигателя - 2, я получаю 8 бар давления в КС, и эксперимент это подтверждает. Добавьте сюда давление наддува в 2 бара избытка и получите давление в КС 24 бара. Я уже писал эти цифры.

 

[KV531]

КПД центробежного компрессора и осевой турбины будет выше, чем винтовых агрегатов.

Однозначно выше. КПД винтовых ступеней в 68% недостаточен для получения нормальной мощности.
Причем этот КПД только компрессора. Что будет с КПД при высокой температуре непонятно, ну лучше точно не будет.... 🙂

Я тут подумал над Вашими словами.
Ведь кпд двигателя складывается не только из кпд компрессора и турбины. Есть так же кпд теплового цикла (извините если отклоняюсь от терминологии, у меня в голове дырка, я забываю информацию). Так вот тепловой кпд ГТД не так высок из-за невысокой температуры перед турбиной. У лучших двигателей это 1500 град.С при условии пленочного охлаждения и термобарьерного покрытия из диоксида циркония.
У винтовых машин кпд немного ниже чем у турбины, но тепловой кпд будет хороший если температуру перед винтами сделать 2000 град.С. Так что в целом кпд роторно-винтового мотора может оказаться не чуть не ниже чем у ГТД, причем в более широком диапазоне оборотов.

 

[МаГент]

Насчёт сжатия согласен. Но я говорил о расширении. Если в КС будет 24 избыточного, то после первой машины расширения давления будет ещё слишком много. Турбонаддуву столько не нужно. Без второй ступени не обойтись думаю.

 

[Андрей Миллер]

Так вот тепловой кпд ГТД не так высок из-за невысокой температуры перед турбиной. У лучших двигателей это 1500 град.С при условии пленочного охлаждения и термобарьерного покрытия из диоксида циркония.
У винтовых машин кпд немного ниже чем у турбины, но тепловой кпд будет хороший если температуру перед винтами сделать 2000 град.С. Так что в целом кпд роторно-винтового мотора может оказаться не чуть не ниже чем у ГТД, причем в более широком диапазоне оборотов.

КПД компрессора и КПД "турбины" не надо путать с общим КПД двигателя. Так как тут еще появляется термический КПД, который конечно связан с этими КПД, но в двигателе есть еще камера сгорания и что то еще.
Высокий КПД компрессора и расширительной ступени необходимы для получения нормальной удельной мощности двигателя.
Если компрессор с малым КПД (ниже 65%), то он забирает слишком много мощности  расширительной ступени, а если КПД расширительной ступени меньше 70%, то она и отдает почти все на компрессор и на  полезную  нагрузку почти ничего не остается. Поэтому долго и не могли построить приличных ГТД.
КПД 68% компрессора  проходит, но вот КПД горячего винта меня смущает. Он должен быть более 70%. Это не я все придумал - есть расчеты в "большом двигателестроении"... 🙂

 

[Андрей Миллер]

но тепловой кпд будет хороший если температуру перед винтами сделать 2000 град.

Конечно, 2000 град. это здорово. Почти дизельная температура Тz.
Но как винты такую Т выдержат?
Ведь в дизеле это максимальная Т, а средняя намного ниже и такую среднюю Т металл держит.
У Вас будет продолжительный режим работы с такой Т. Какой винт это выдержит, если Т перед входом в турбину сейчас максимум 1500 град.?

 

[Андрей Миллер]

Но очень хочется сделать и посмотреть что будет в итоге.
Кстати сегодня удалось запустить на метане. Сложно поджечь. Из 4-х запусков т

Конечно интересно. Но винтовые ступени предназначены для сжатия воздуха со СС = 4. Температура при этом будет макс.  град. 200.
Сгорание в компрессоре не предусмотрено. Я бы поставил винтовую ступень и турбину от дизельного ТРК...

 

[KV531]

Насчёт сжатия согласен. Но я говорил о расширении. Если в КС будет 24 избыточного, то после первой машины расширения давления будет ещё слишком много. Турбонаддуву столько не нужно. Без второй ступени не обойтись думаю.

Ставить еще одну винтовую ступень - будет очень громоздкая и тяжелая конструкция.
Я думал про двухступенчатый наддув. Сначала проведем испытания с той турбой которая уже есть, посмотрим что получится. Манометры стоят и перед турбиной и в КС и в впускном коллекторе. Потом проанализируем и решим что делать дальше. Возможно нужно будет применить турбокомпрессор с другим соотношением горячей и холодной улитки (как на дизеле) и поставить еще один турбокомпрессор последовательно, для дальнейшей утилизации энергии газов. Такая схема позволит получить прекрасную динамику мотора в широком диапазоне оборотов.

 

[KV531]

но тепловой кпд будет хороший если температуру перед винтами сделать 2000 град.

Конечно, 2000 град. это здорово. Почти дизельная температура Тz.
Но как винты такую Т выдержат?
Ведь в дизеле это максимальная Т, а средняя намного ниже и такую среднюю Т металл держит.
У Вас будет продолжительный режим работы с такой Т. Какой винт это выдержит, если Т перед входом в турбину сейчас максимум 1500 град.?

Я уже не однократно писал как будет осуществляться система охлаждения. Вы не внимательно читаете.

 

[KV531]

Но очень хочется сделать и посмотреть что будет в итоге.
Кстати сегодня удалось запустить на метане. Сложно поджечь. Из 4-х запусков т

Конечно интересно. Но винтовые ступени предназначены для сжатия воздуха со СС = 4. Температура при этом будет макс.  град. 200.
Сгорание в компрессоре не предусмотрено. Я бы поставил винтовую ступень и турбину от дизельного ТРК...

У меня так и стоит. Я же говорю, вы невнимательно читаете мои сообщения  🙂