Необычные двигатели

Раздел: Техника

В 1971 г. в журнале «Изобретатель и рационализатор» появилась статья о сфероидальном двигателе воронежского изобретателя Г, А. Соколова. В основу двигателя положена способность шарнирного соединения Гука трансформироваться в механизм, имеющий четыре полости, объем которых при вращении изменяется от минимума до максимума. В одной или двух полостях можно организовать цикл ДВС. Пример трансформации. Если крестовину 1 шарнира преобразовать в круглую диафрагму 2 с шаровой наружной поверхностью, а вил- ки 3 шарнира заменить плоскими сегментами 4 и поместить эти три элемента в сферическую оболочку 5, то получится механизм, способный выполнять функции двигателя . Для этого в соответствующих местах сферической оболочки необходимо выполнить лишь впускные и выпускные окна и... СШДД готов.

После статьи об этом необычном двигателе пришло более 300 писем. «За» и «против» высказывались профессора, студенты, инженеры, директора предприятий, пенсионеры, механики и др. Десять заводов сообщили, что могли бы выпускать двигатель. Много писем прислали клубы спортсменов-водомоторников. Были предложения об использовании СШДД в качестве гидромотора или насоса для тепловозов, лодочного мотора, пневмодвигателя для ручного инструмента, компрессо- ра, силовой установки экспериментального стенда. Поэтому редакция журнала разослала около 40 приглашений институтам, КБ, заводам и редакциям журналов с предложением собраться за «круглым столом».

На встрече ответственный секретарь редакции привлек внимание собравшихся к двум парадоксам: тому, что ВНИИГПЭ, противопоставив лишь патенты, выданные в прошлом веке, отклонил заявку на изобретение главным образом из-за «отсутствия полезности», и тому, что инженерная общественность не знает о существовании таких двигателей.

До встречи у многих вызывала сомнение работоспособность вилок шарнирного соединения, возможность их смазки, высокая габаритная мощность (за-за невыгодной щелевой формы камеры сгорания и плохого, наполнения, обусловленного контактом свежей смеси с раскаленной диафрагмой) и герметичность камер сгорания.

Демонстрация действующего макета двигателя со сферой диаметром 150 мм, который при давлении подаваемого в него сжатого воздуха 14 кг/см2 развивал 4500 об/мин, убедительно свидетельствовала о возможности создания работоспособной конструкции такого типа. Диаметр пальца шарнирного соединения двигателя может достигать 60 мм. При таких размерах удельные давления на контактных поверхностях нетрудно снизить до любого желаемого предела. Работоспособность уплотнения диафрагмы макетного образца сомнений у большинства собравшихся не вызвала.

Был также представлен еще один двигатель с диаметром сферы 102,8 мм. Его построил изобретатель А. Г. Заболоцкий, ничего не знавший о работе Г. А. Соколова. В режиме пневмодвигателя его конструкция проработала около 40 ч, развивая до 7000 об/мин. Ни повышенных вибраций, ни износа за это время не обнаружено. А зазоры между сферой и диафрагмой в этой модели были даже слишком малы, так как при «горячих» испытаниях двигатель заклинивало.

В процессе дискуссии о надежности уплотнения СШДД выяснилось, что, например, в двигателях Ванкеля скорости скольжения уплотнительных пластин по сравнению с кольцами обычных поршневых двигателей гораздо выше, а вместе с тем эти двигатели достаточно успешно работают. В СШДД скорости скольжения могут быть даже ниже. Так что для современной промышленности, способной создавать двигатели любой конструкции, проблема надежности уплотнения скорее всего не представляет собой сложности. Надежность уплотнения в значительной степени будет зависеть от точности обработки внутренней поверхности сферической оболочки. Опыт А. Г. Заболоцкого, построившего двигатель в мастерской Верхнедонского плодосовхоза, имеющей только токарный станок, говорит о том, что необходимую точность обработки сферы можно получить даже в полукустарных условиях. Простоту обработки сферы подтвердило и изготовление на Средневолжском станкозаводе другого сфероидального двигателя. Там рабочие применили внутришлифовальный станок с поворотным столом.

Угол между осями шарниров в сфероидальных двигателях достигает 35—45°. При этом неравенство угловых скоростей должно было бы привести к появлению больших знакопеременных инерционных моментов и, как следствие, к огромной вибрации. Обкатка опытных образцов на сжатом воздухе опасных вибраций не выявила. Нагрузки выдержали даже винты МЗ, которыми были стянуты полусферы в двигателе Г. А. Соколова. Не считает опасными большие углы и проживающий в Хёрсоне В. И. Кузьмин, профессиональная деятельность которого уже 15 лет связана с шарнирами Гука. «Конструкцию двигателя Соколова одобряю», — телеграфировал он «круглому столу».

Отсутствие вибраций в СШДД с большим углом между осями (при углах более 10° шарниры Гука обычно стараются не применять) можно объяснить демпфирующим действием рабочей среды. А поскольку нагрузка приложена только с одной стороны шарнира, неравномерность вращения свободного от нагрузки вала не приводит к появлению значительных инерционных моментов.

Собравшиеся за «круглым столом» пришли к выводу, что достоинства и недостатки СШДД может выявить только экспериментальная проверка. Та же мысль содержится в письме профессора кафедры ДВС МВТУ им. Баумана А. С. Орлина. Он пожелал автору «быстрейшего воплощения его замыслов в металле и испытаний», так как только испытания «позволят разрешить все спорные вопросы». Испытания, а тем более постройка опытных образцов двигателей далеко не простое дело: только доводка обычного двигателя даже в заводских условиях длится 4—5 лет.

На «круглом столе» была представлена подборка патентов по сфероидальным двигателям. Хотя научно- техническая литература не содержит сведений о них, патентные архивы говорят о том, что Г. А. Соколов и А. Г. Зоболоцкий не первыми подметили замечательную способность шарнира Гука трансформироваться в двигатель или насос. Первый похожий английский патент относится к 1879 г., последние — уже к нашему времени. Не обойдена эта схема вниманием и в классификационной таблице всех мыслимых схем роторно- поршневых двигателей, которая приводится в книге Ванкеля о роторных двигателях.

Таким образом, сфероидальным двигателям, выполненным на основе шарнира Гука, просто не повезло.

Не нашлось в истории моторостроения человека, который взял бы на себя труд их доводки.

В настоящее время к этой работе обстоятельно готовится Г. Соколов (Воронежский политехнический институт) и ряд других энтузиастов. Соколовым уточнены фазы газораспределения, отлиты из специального ан- тифрикционного сплава (сплава Баклана) полусферы, проведены многочисленные расчеты, так и не выявившие недопустимых нагрузок.

Вторым центром постройки СШДД стал Херсон «Теоретик карданов», как величали его на встрече за «круглым столом», Виктор Иванович Кузьмин настолько заинтересовался этой необычной схемой, что взялся за постройку. К работе он привлек группу рабочих, студентов, аспирантов. Двигатель изготовлен в металле и теперь дело за.испытаниями.

В 1974 г. стало известно об еще одном сфероидальном двигателе.

Двигатель состоит из диафрагмы 1 и двух сегментов 2, 3, шарнирно соединенных с диафрагмой. Валы сегментов вращаются в подшипниковых узлах. Уплотнение сегментов и диафрагмы осуществляется кольцами 4, 5, уплотнение между сегментами и диафрагмой — подпружиненными пластинами 6. В теле диафрагмы размещены* четыре пальца 7, к которым с помощью дистанционных втулок 8 привинчены сегменты 2, 3 (см. сечение 1-1).

Цикл двигателя двухтактный. В левой половине сферы (со стороны маховика 9) осуществляется предварительное сжатие смеси, поступающей из автомобильного карбюратора. По перепускному трубопроводу 10 смесь направляется в правую половину сферы. В изображенном на рисунке положении в верхней части происходит продувкав нижней начинается рабочий ход.

Смазка и охлаждение правого сегмента 3 и диафрагмы 1 должны осуществляться маслом, подаваемым через правый подшипниковый узел. Кроме этого, с торцевой поверхностью правого сегмента контактируют несколько подпружиненных теплоотводящих стержней 11, по которым тепловой поток «стекает» к оребренному корпусу подшипниковое узла. С левой стороны диафрагма охлаждается свежей рабочей смесью.

Испытания двигателя В. Когута, во время которых многие его узлы модернизировались, доказывают принципиальную работоспособность этой схемы. Конструктивно и технологически СШДД существенно проще двигателя Ванкеля. Реальные преимущества станут ясны в ближайшем будущем после испытаний двигателей Соколова, Кузьмина, Когута.

За «круглым столом» журнала «Изобретатель и рационализатор» куйбышевский изобретатель В. И. Андреев сообщил о сфероидальном двигателе , в разработке раб<?чих чертежей двух вариантов которого, а также в расчетах и изготовлении литых деталей принимали участие сотрудники ВАЗа. Особенность двигателя ( 21) в том, что он состоит из двух роторов, наружного / и внутреннего 3, вращающихся в одном направлении. Оси роторов наклонены, их сопряжение осуществляется по сфере. В центре сферы разместилась диафрагма— поршень 2, разделяющая рабочий объем на четыре самостоятельных камеры сгорания.

Прокрутите мысленно роторы хотя бы на один оборот, и объем около верхней свечи плавно увеличится до максимума, что может соответствовать рабочему ходу или перепуску (цикл двигателя двухтактный), а затем снова сведется к минимуму, т. е. произойдет выхлоп или сэкатие. Предварительное сжатие воздуха осуществляется центробежным нагнетателем 4.

Из нагнетателя воздух следует в карбюратор и далее через полый вал 6 в камеру сгорания. Выхлоп происходит через окна 7 во внешнем роторе, а энергия выхлопных газов реализуется на турбине 5. Наружный ротор вращается в двухрожковой улитке 8. Поэтому лопатки попеременно выполняют функции нагнетателя и турбины. Выхлоп происходит в один рожок (на рисунке не показано), другой используется для нагнетателя. Из-за этого холостые обороты двигателя сравнительно высоки — не менее 1500 об/мин.

При двухтактном цикле работы в диаметрально противоположных камерах одновременно происходят одинаковые процессы. На  21 изображен момент, когда в / и /// камерах начинается рабочий ход, а во // и IV камерах идет продувка (сплошные линии стрелок—рабочая смесь, пунктирные — продукты сгорания).

Если смотреть на двигатель справа, то при вращении ротора против часовой стрелки в I и III камерах произойдет расширение (рабочий ход) 110° по углу поворота, затем откроются выхлопные окна и еще через 8° — впускные. После поворота на 180° объем I и III камер будет равен объему при начальном положении камер II и IV, что соответствует середине продувки. При угле поворота 240° закроются выхлопные окна, а е!це через 8° — впускные. С этого момента начнется такт сжатия (цикл несимметричный). При рабочем такте ребра внешнего ротора омываются чистым воздухом (стрелки из точек), охлаждающим ротор, а затем этот воздух используется для наддува. При выхлопе ребра работают как лопатки турбины.

Расчетная мощность двигателя — 45 л. с. При первом знакомстве с ним поражают непропорционально большие размеры карбюратора. Но оказывается, что карбюратор даже меньше обычных мотоциклетных, а невелик сам двигатель. Еще больше удивляешься, когда узнаешь, что рабочие чертежи всех без исключения деталей уместились в тонюсенькой папке. Она убедительно говорит о простоте конструкции, минимальном количестве деталей. А после ознакомления со сравнительными характеристиками, подтвержденными многочисленными расчетами — не поверить в будущее этой конструкции просто невозможно. Судите сами.

Оба ротора вращаются в одну сторону. Тем самым резко снижаются скорости взаимного перемещения деталей, и обычные кольца прекрасно выполнят свои функции.

Именно из-за высоких скоростей уплотнений Ванке- лю пришлось понизить число оборотов двигателей с 10—12 тыс. до обычных 6 тыс. об/мин. Авторам сфероидального двигателя даже не потребовалось гнаться за высокими оборотами. Уже и при 4—5 тыс. об/мин их двигатель превосходит «ванкелей». Достаточно сказать, что у этого двигателя более высокая литровая мощность— 97 л. с./л при 4000 об/мин, в 2—3 раза более высокий крутящий момент (25 кгм!), .а удельный вес — 0,5 кг/л. с. соперничает с авиационными двигателями. И все это относится к опытному образцу!" Благодаря тому что роторы симметричны относительно осей вращения, двигатель идеально уравновешен. Тому же способствует и протекание в диаметрально противоположных камерах одинаковых процессов. Расчетная неравномерность работы мотора равна 2°16', что гораздо ниже, чем у «ванкеля» или поршневого ДВС. Симметричность процессов, кроме того, обусловливает работу, диафрагмы как бы во взвешенном состоянии, резко снижая нагрузки на трущиеся пары.

Если сравнить нагрузку на пальцы диафрагмы с нагрузкой поршневого пальца и нагрузку" на подшипники внешнего ротора с нагрузкой на шатунные шейки обычного ДВС такой же мощности, то они окажутся в 2 раза меньше. Наполовину снижено в сфероидальном двигателе и усилие, приходящееся на подшипники внутреннего ротора (сравнение проведено с коренной шейкой двухцилиндрового поршневого ДВС).

Сокращение числа трущихся пар и малая величина» нагрузок приводят к небывало высокому механическо* му КПД. По расчетам он может достигать 92%! Ни один двигатель, за исключением двигателей с механизмом С. Баландина, не имеет КПД, даже близкого к этой величине.

Двигатель В. И. Андреева интересен еще и тем, что лопатки на внешнем роторе выполняют функции компрессора наддува и вентилятора охлаждения, а также глушителя (изменение скорости и объема газов) и тур

бины. В обычных двигателях в глушителе бесполезно рассеивается от 5 до 15% мощности. Здесь минимум 5% турбина возвращает обратно. Идея использования выхлопных газов не нова. Но ее реализация сложна: добавляются турбина, компрессор, газопроводы ( 22). В двигателе В. И. Андреева и Л. Я. Ушеренко для этого не требуется ни одной лишней детали.

Действие турбины уже проверено при несколько необычных обстоятельствах. Для холодной обкатки с помощью электромотора двигатель был установлен на стенде в инструментальном цехе Средневолжского станкозавода, где производились изготовление его деталей и сборка. Вращение продолжалось 6 ч. Ни вибрации, ни нагрева двигателя, ни задиров трущихся элементов обкатка не выявила.

Однако при «горячих» испытаниях случился казус. Из нагнетательного патрубка турбины вырывался сноп пламени как из сопла реактивдого самолета, а ожидаемой мощности двигатель не дал. Когда его разобрали, камеры сгорания оказались абсолютно чистыми. Причина — головки свечей расположены слишком близко к корпусу и искра проскакивала, но не там, где надо. Так что первые испытания косвенно подтвердили лишь работоспособность турбины. Реконструкцию системы зажигания и все хлопоты по доводке взял на себя механик В. А. Артемьев.