Роторно-поршневые двигатели (история, особенности конструкции, преимущества и недостатки)

Введение:
Попытка создания конкурентного теплового двигателя на базе роторной расширительной машины – это вечный вопрос, который постоянно пыталось решить (но пока безуспешно) не одно поколение теплотехников.
В настоящий момент серийно, в ограниченных количествах, производятся роторно-поршневые двигатели только по схеме Ванкеля. Фирма Мазда устанавливает их на автомобили RX-8. Мелкими партиями, отдельные фирмы изготавливают РПД для использования в лёгкой авиации, водно-моторном спорте и т.п. Собственная конструкция автомобильного РПД есть (была) и у ВАЗа, но выпускался он в очень ограниченных количествах.
Параметры РПД соответствуют общей логике расширительных машин. Двигатели этого типа по основным характеристикам (прежде всего это удельная мощность) занимают промежуточное место между поршневыми ДВС и газотурбинными двигателями. Они представлены в том сектор рынка, где использование ГТУ не выгодно по экономическим соображениям (создание маломощных ГТУ с хорошими параметрами и приемлемой ценой – довольно сложная задача), а показатели поршневых ДВС не обеспечивают заданные характеристики.
Общие вопросы классификации и терминологии
Роторно-поршневые расширительные машины можно отнести к широкому классу объёмных роторных машин (в отличие от динамических роторных машин - турбин). Под определение роторных машин объёмного типа попадает довольно широкий класс конструкций, в которых обеспечивается изменение внутреннего рабочего объёма за счёт вращения роторов (ротора) относительно корпуса и/или друг друга. По конструктивному исполнению все роторные машины можно разделить на пять основных групп: - шестерённые, винтовые, коловратные, пластинчатые, роликовые.
Большинство роторных машин являются обратимыми и могут работать, как на сжатие (нагнетание), так и на расширение (детандирование) рабочего тела. Принципы действия этих машин лежат в основе конструкций широкого типа насосов и компрессоров.
По своим характеристикам роторные машины занимают промежуточное место между поршневыми машинами и машинами динамического типа (лопаточными). По сравнению с поршневыми машинами в их конструкциях не используется клапанное распределение, такие уплотнительные элементы как поршневые кольца, а например, винтовые и коловратные компрессоры сухого типа работают без механического контакта роторов между собой и корпусом. Относительно простые кинематические схемы роторных машин, с отсутствием масс с возвратно – поступательным движением, обуславливают высокую динамическую уравновешенность механизма машин, соответственно возможность достижения высоких частот вращения, низкий уровень вибраций и шума, отсутствие высоконагруженных деталей. Общее количество деталей в конструкциях роторных машин так же меньше, чем у поршневых.
По удельным показателям роторные машины уступают лопастным (динамическим), в некоторых случаях являются технологически более сложными в производстве, например по сравнению с одноступенчатыми турбинами, но могут работать с двухфазными потоками и не склонны к помпажу. КПД роторных машин мало зависит от частоты вращения.
Широкая номенклатура различных видов роторных машин представлена в производстве нагнетателей (насосов, воздуходувок и т.п.). В определённых промышленных сферах уже сложилась практика по использованию тех или иных конструкций нагнетателей.
Насосы динамического типа почти полностью закрывают сектор транспортирующих насосов для различных видов жидкостей, а роторные насосы являются основным типом насосов в гидроприводах с давлениями до 20 – 25 МПа, большие давления уже обеспечиваются поршневыми насосами – аксиальными и радиальными, а также плунжерными.
Наиболее перспективными и интенсивно развивающимися роторными машинами являются винтовые, причём их начинают активно использовать как в качестве компрессоров, так и насосов. Простейшая кинематическая схема, отсутствие механических уплотнений, возможность достижения высоких степеней сжатия, широкий рабочий диапазон, работа с дфухфазными потоками и другие положительные стороны этих машин привлекают к себе всё большее внимание.
Недостатком винтовых роторных машин является их достаточно высокая стоимость, при равной производительности достигающая 400% от стоимости поршневых, связанная со сложностью производства роторов. Определённые проблемы существовали и при проектировании винтовых профилей. Достаточно ограниченное количество фирм серьёзно работают над этой тематикой. Ведущими из них являются “Atlas coopco”, “SRW” и др., в нашей стране изготавливались винтовые холодильные компрессоры с профилем “ЛКИ”. В последнее время, с появлением систем компьютерного проектирования, были разработаны новые высокоэффективные профили винтовых роторов, а существующие профили были серьёзно усовершенствованы. Появление металлорежущих станков с ЧПУ, высокоточных обрабатывающих центров, позволило существенно поднять качество изготовления винтовых машин. Снижение допусков и сопряжений привело к росту их характеристик. При этом стоимость производства винтовых роторных машин начала постепенно снижаться.
Всё это вместе привело к тому, что, соотношение цена / качество у винтовых компрессоров при равной производительности, стало более привлекательным чем у поршневых, при этом сохраняются их основные преимущества, отмеченные выше – меньшие размеры, сниженные вибрации и шум, больший ресурс и т.д. В итоге сегодня на рынке промышленного оборудования можно наблюдать интенсивную экспансию винтовых компрессоров, причём почти во всём диапазоне мощностей. По итогам продаж более половины новых покупаемых компрессоров общепромышленного назначения – винтовые. Этому способствовало и появление значительного количества производителей, работающих как с собственными, так и с лицензионными профилями.
Проводя аналогию между насосами, компрессорами и тепловыми двигателями, с точки зрения использования в их конструкциях трёх основных типов рассматриваемых машин, можно отметить некоторую диспропорцию в применении роторных машин в конструкциях тепловых двигателей.
Если в насосо- и компрессоро- строении можно отметить относительно равномерное соотношение между объёмами используемых типов машин (поршневые, роторные и лопаточные), с их устойчивым закреплением за отдельными областями (секторами) применения, то в двигателестроении серийно используются (за единственным исключением) только два типа машин (работающие как на сжатие так и на расширение рабочего тела) – поршневые и лопаточные. Поршневые – это соответственно все поршневые ДВС и сошедшие с пути исторического развития поршневые паровые машины, а лопаточные – паровые турбины и газотурбинные двигатели. Исключением являются роторно-поршневые двигатели (РПД). Хотя термин роторно-поршневой двигатель не соответствует сложившейся классификации расширительных машин. Конструктивная схема РПД наиболее близка к коловратным машинам и к ротационным машинам с эксцентриковым роликом, словосочетание роторно-поршневой ассоциируется скорее с аксиально- и радиально- поршневыми машинами (в отдельных источниках эти типы машин так же относят к ротационным), хотя очевидно это не верно, так как сжатие - расширение происходит за счёт возвратно-поступательного движения поршня (плунжера) относительно гильзы, хотя это перемещение и обеспечивается кинематикой с вращательным движением. Исходя из этой логики и классический кривошипно-шатунный механизм относится к классу роторных машин, т.к. присутствует вращение коленчатого вала.
Однако возвращаясь к тепловым двигателям, можно задать себе вопрос – почему в двигателестроении сложилась такая диспропорция в применении машин различных типов, хотя, как было отмечено, в насосо- и компресоро- строении ситуация относительно ровная.
История развития роторных, роторно-поршневых тепловых машин
Исторические аспекты попыток создания ротационного теплового двигателя достаточно ярко и наглядно представлены в [1], приведём подробную цитату из этой работы: - “Есть немало осуществимых и много раз осуществлённых объектов, работа над которыми не приносит никаких или почти никаких результатов и которые, тем не менее, обладают таинственной притягательной силой для изобретателей. Одним из таких объектов является ротационная (ротативная) расширительная машина или ротативный двигатель. Призрак этого двигателя всю жизнь преследовал ещё Уатта. В п. 5 его знаменитого патента 1769 г. имеется, правда, довольно туманное описание двигателя с вращательным движением поршня. В 1782 г. Уатт взял отдельный патент на ротативный двигатель. Ученики Уатта (Мердок, Треветик) и его конкурент (Горнблоуэр) предлагали свои конструкции. Однако все попытки создать двигатель оканчивались неудачей – эффективно уплотнить зазор между ротором и корпусом в условиях высоких температур оказалось невозможно

. Поэтому и КПД двигателя был очень низким. Тем не менее, работа над ротативными двигателями продолжалась с возрастающей интенсивностью. Радциг пишет, что в 1859 г. было взято 210 патентов на ротативные машины, а в музее патентного ведомства США имелся в то время отдельный большой шкаф, доверху заполненный их моделями. В начале своей карьеры Парсонс увлекался этими двигателями и даже создал серийно выпускавшиеся образцы. Вспомним также двигатель Вильсона, участвовавший в сравнительных испытаниях во время знаменитого процесса Парсонса с Кларком и Чапмэном. Ротативные двигатели создавались и применялись неоднократно как до Парсонса, так и после него. У них было, казалось бы, очевидное преимущество перед поршневой машиной – отсутствовала передача на вал, они были проще и быстроходнее. Однако многолетний опыт свидетельствует, что основная проблема этих двигателей – уплотнение ротора – не может быть решена даже в условиях несравненно более высокого, чем во времена Уатта, уровня техники. У ротативных ДВС существуют дополнительные проблемы – трудности с организацией эффективного горения смеси, охлаждения и т.д. Опыт эксплуатации и изготовления ротативных ДВС не выявил их преимуществ перед поршневыми. После того как появились высокоэффективные турбины, ротативные двигатели потеряли большинство своих привлекательных черт. Разумеется, если проблема уплотнений будет решена, ротативные двигатели смогут, по видимому, найти своё, хотя и довольно ограниченное применение (они обладают тем преимуществом перед турбинами, что их кпд мало зависит от частоты вращения)”.
Современные перспективы развития ротационных тепловых машин
Единственным свежим фактором, появившимся в последнее время, после написания представленных выше строк, явился, уже отмеченный прогресс в эволюции винтовых роторных машин. Экспансия винтовых компрессоров приходится в основном на последнее десятилетие. Способность работы винтовых машин сухого типа без непосредственных механических уплотнений между корпусом и роторами, предопределяет попытку их первоочередного использования в качестве расширительной машины теплового двигателя. Хотя конечно, вопросы работоспособности винтовой группы в среде раскалённых газов находятся под большим вопросом, и потребуются определённые доработки машины для обеспечения её работы в таких условиях. Но неразрешимой эта задача уже не кажется. С другой стороны, тепловой двигатель – устройство достаточно сложное. Значительно более сложное, чем компрессор или насос, и если на технологический прорыв в компрессоро- строении было истрачено несколько десятилетий, то было бы неоправданным ожидать большей или даже такой же интенсивности в развитии роторных тепловых двигателей. Но тем не менее, ярко выраженный и очевидный прогресс винтовых роторных компрессоров, их явные, доказанные практической эксплуатацией преимущества над аналогичными поршневыми машинами, не вызывают сомнения, что не за горами очередная массированная атака на позиции и поршневых ДВС. Эта угроза исходит со стороны пока ещё не существующего теплового двигателя на базе винтовой расширительной машины.
Основа работы теплового двигателя – рабочий цикл. Как у двигателей с внутренним подводом теплоты, так и с внешним, выбор достаточно ограниченный. Циклы периодического действия, реализуемые на поршневых ДВС (двухтактный и четырёхтактный), соответственно с осуществлением схемы с принудительным зажиганием (Отто) или с самовоспламенением (Дизель) и цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении (Брайтон). У машин с внешним подводом теплоты можно ограничиться циклами Ренкина и Стирлинга. Остальные известные циклы тепловых машин можно отнести к разряду экспериментальных и находящихся в стадии разработки, так как промышленного применения они не нашли, а некоторые являются лишь разновидностями выше указанных.
Главной особенностью цикла, предопределяющей все его основные параметры, можно считать характер подвода теплоты - периодический и непрерывный. Циклы с периодическим подводом теплоты, обладают единственным, но ключевым преимуществом по сравнению с циклами с постоянным подводом – это возможность достижения более высоких максимальных температур цикла. Эти температуры сохраняются в цикле сотые доли секунды, но обеспечивают тот относительно высокий кпд, который присущ поршневым ДВС. Средние максимальные температуры цикла стандартных автомобильных поршневых ДВС составляют порядка 3000 °С против 900 °С (до 1100 °С на современных ГТУ с охлаждаемыми лопатками) соответствующих температуре потока газов на входе в турбину авиационной ГТУ, но лопатки турбины находятся при этой температуре постоянно, что вызывает необходимость использования для их изготовления дорогостоящих жаропрочных сплавов. Создание охлаждаемых лопаток связано со значительными конструктивными и технологическими сложностями, но даже и их использование (например в ГТУ последнего поколения) позволило поднять среднюю температуру газов не более чем на 300 °С. По остальным параметрам двигатели с реализацией периодических циклов проигрывают машинам с постоянным подводом. Прежде всего, это удельная мощность. Организация вспомогательных циклов в том же пространстве (цилиндр двигателя) где происходит рабочий ход, соответственно ограничивает промежуток времени, отводимый на его осуществление. В четырёхтактных двигателях на это отводится теоретически 25%, а у двухтактных 50%, всего времени цикла (на практике даже меньше). Плюс необходимость применения системы газораспределения, обеспечивающей протекание разных процессов в одном объёме. В итоге у ГТУ, где процессы протекают одновременно, но в разных частях машины, удельные мощности (кВт/кг) в среднем в 6 раз выше, чем у 4х-тактных ДВС. Нестационарность рабочих процессов, периодичность осуществления ограничивает время, отводимое на их подготовку и проведение, что во многом отрицательно сказывается на их характеристиках. Так у поршневых ДВС существуют значительные проблемы с организацией качественного смесеобразования (особенно у дизельных двигателей), что соответственно приводит к неполноте сгорания топлива (снижению КПД) и повышенной токсичности выхлопа.
Соответственно, в случае возможности повышения температуры газов на входе в расширительную часть машины даже до уровня, достигнутого в современных ГТУ, реализация цикла Брайтона (цикл с подводом теплоты при постоянном давлении) более предпочтительна, по сравнению с периодическими циклами. При эффективном КПД равном, или близком аналогичному хотя бы у поршневых ДВС с принудительным зажиганием, общий эффект от применения роторной машины может быть выше за счёт роста удельных характеристик и общего снижения массы машин и оборудования на которых они будут использоваться. Однако ожидается, что эффективный КПД роторной машины с циклом Брайтона будет выше, чем у бензиновых двигателей. Основой этой уверенности является возможность организации сжатия (расширения) рабочего тела в винтовых машинах (причём в одноступенчатых) до степеней сжатия порядка 16 - 20, что соответствует степени сжатия дизельного двигателя. При этом мы избегаем такого “проклятия” двигателей с внешним смесеобразованием, как – детонация (за счёт отдельной подачи топлива в камеру сгорания). В итоге, есть возможность компенсировать низкую температуру цикла высокой степенью сжатия (расширения).
В роторных машинах существует возможность организации более эффективного охлаждения роторов, чем лопаток в ГТУ. Даже если рассматривать стационарные ГТУ с жидкостным охлаждением лопаток, технологически проще изготовить полости охлаждения и обеспечить к ним подвод охлаждающей жидкости для двух- (трёх-) винтов, чем для множества лопаток, т.е. можно добиться более интенсивного охлаждения роторов, что естественно позволит дополнительно поднять температуру цикла, вплоть до значений превышающих соответствующие для лучших ГТУ.
Конечно, интенсивное охлаждение роторов приведёт к значительным тепловым потерям. Суммарные площади поверхностей охлаждения даже двух- винтовой машины могут превысить аналогичные у поршневых двигателей. Решение этой проблемы можно достигнуть за счёт использования различных схем утилизации теплоты. Так отмеченные ГТУ с жидкостным охлаждением лопаток обычно являются частью ПГУ (паро- газовых установок), в которых газовый, высокотемпературный цикл ГТУ является базовым, основным, а цикл паровой – утилизационный, осуществляется за счёт вторичного тепла газового цикла, в том числе полученного и за счёт охлаждения лопаток. Для осуществления утилизационной схемы с циклом Ренкина, основную конструкцию роторного ДВС возможно придётся дополнить роторной паровой расширительной машиной. Конечно, применение систем утилизации теплоты необязательно, можно ограничиться и классическим проточным охлаждением, но их использование позволяет поднять суммарный эффективный КПД всей установки на 15–17%, в том числе, и при использовании на классических поршневых ДВС