Роторно–лопастные машины
Конструктивные особенности
Эффективность применения

В 2007 году ППИ выиграл конкурс в рамках Федеральной целевой программы и заключил государственный контракт № 02.516.11.6031 с Федеральным агентством по науке и инновациям на проведение научно-исследовательских работ на тему «Разработка математической модели протекания термодинамического цикла с внешним подводом теплоты, позволяющей создать экологически чистый двигатель роторно-лопастного типа».

Результатом работы явилось создание методики расчета и проектирования РЛД с внешним подводом теплоты (РЛДВПТ), в частности созданы математические модели отдельных узлов двигателя: механизма преобразования движения, роторно-лопастной группы, а также математическая модель, подтверждающая возможность реализации термодинамического цикла с внешним подводом теплоты в РЛД. Для проведения экспериментальных исследований были созданы и исследованы макет механизма преобразователя движения и макет камеры сгорания. Полученные результаты явились доказательной базой правильности теоретических расчетов.

1. Разработана и проведена компоновочная схема РЛДВПТ, обладающая новизной конструкций роторно-лопастной группы  и преобразователя движения. Данная схема наиболее точно отвечает требованиям к организации и реализации термодинамического цикла с внешним подводом теплоты и процесса преобразования движения лопаток в движение выходного вала двигателя.
2. Разработан алгоритм расчета и проектирования РЛДВПТ.
• Разработана методика термодинамического расчета двигателя, включающая:
• вывод аналитических выражений для расчета изменения объемов камер двигателя и для тактов термодинамического цикла и для индикаторных показателей цикла с учетом разных значений политропы сжатия и расширения;
• рекомендации по выбору рабочего тела;
• числовой расчет термодинамического цикла на примере двигателя мощностью 300 кВт с использованием углекислого газа в качестве рабочего тела;
• методику расчета моментов от газовых сил на лопатках и выходном валу двигателя с примером расчета для двигателя мощностью 300 кВт;
3. Термодинамический расчет предваряет остальные расчеты двигателя.
• Разработана методика кинематического расчета двигателя по которой вначале синтезируется рычажно-кулачковый механизм преобразования движения и, затем, производится его кинематический анализ. В основе расчетов лежит полученная и запатентованная (заявка на патент «Механизм для преобразования движения» №2007136002 от 01.10.2007) формула для теоретического профиля кулачка. Именно такой профиль кулачка обеспечивает движение звеньев механизма по гармоническому закону и, тем самым, безударную работу двигателя.
4. В реальном механизме преобразования движения вершины ромбоида и кулачок снабжены роликами. Дается решение задачи синтеза и конструирования реального механизма преобразования движения.
   Результатами разработанной методики кинематического анализа синтезированного механизма являются полученные в работе аналитические выражения: для угла  между осями лопаток; для углов  поворота лопаток; для угловых скоростей и ускорений звеньев; для линейных скоростей и ускорений характерных точек механизма.
   Кинематические расчеты необходимы как на стадии предварительной компоновки двигателя, так и на стадии окончательных динамических, силовых и прочностных расчетов двигателя.
• Разработана методика динамического расчета двигателя, основанная на последовательном применении полученных соотношений для плеча момента реакции кулачка, для действующего на маховик крутящего момента, для реакций кулачка, а также дифференциальных уравнений движения одномодульного и двух модульного двигателя. Эти соотношения и уравнения необходимы для расчета момента инерции маховика, обеспечивающего заданную степень неравномерности хода, а также в силовом и прочностном расчетах.
• Разработана конструкция тороидальных лопаток, позволяющая применять в качестве уплотнений стандартные поршневые кольца. Предложена конструкция герметизации рабочего объема с помощью сильфонных уплотнений. Предложена конструкция крепления лопатки к диску, обеспечивающая отсутствие контакта лопатки и цилиндра.
5. Получены аналитические выражения: для расчета нагрузок на подшипники роторов, на лопатки и на диски; для расчета коэффициентов концентрации напряжений; для расчета мощностных потерь на трение в роторно-лопастной группе.
• Составлена расчетная схема и построена диаграмма моментов, действующих на маховики и вал двухмодульного двигателя. Приведена методика расчета крутящего момента на маховике и диаметра вала, а также отстройки системы от резонансных крутильных колебаний. Сконструирована ступица маховика.
• Разработана методика расчета роликов кулачка и ромбоида, в основе которой лежат полученные аналитические выражения для нагрузок на ролики. Разработана конструкция кулачка, снабженного роликами. Сформулированы требования к точности изготовления.
• Составлена расчетная схема и построена диаграмма сил и моментов, действующих на детали группы линейных подшипников. Выведены аналитические выражения для этих сил и моментов. Получены соотношения для расчета характерных размеров деталей из условия прочности при переменных нагрузках.
6. По приведенной методике выполнен числовой расчет пальца и направляющего стержня, а также подобран линейный подшипник качения.
• Составлена расчетная схема ромбоида и выполнен силовой анализ. Получены аналитические выражения для расчета поперечных и продольных сил в звеньях, а также соотношения для расчета размеров звена из условий прочности и устойчивости. Выполнен числовой расчет и приведен чертеж звена.
• Предложена принципиально новая схема системы подвода тепла и охлаждения для реализации цикла с внешним подводом теплоты в роторно-лопастной машине, отличительной особенностью которой является то, что рабочее тело циркулирует в замкнутом контуре в одном направлении ( в известных схемах рабочее тело циркулирует возвратно-поступательно).
7. Выработаны рекомендации по выбору типа теплообменника. Разработана конструкция нагревателя. Разработана методика расчета теплопередачи в нагревателе.
• Разработана система смазки двигателя, в которой исключается из конструкции дорогостоящие уплотнения и не происходит закоксовывания масла при воздействии высоких температур. Приведены рекомендации по выбору типа масла.
• Предложены конструкции рабочей камеры, корпуса и элементов установки и крепления, приведены рекомендации по определению размеров деталей, выбору материалов и точности изготовления.
• Разработаны структурные схемы и математические модели следующих процессов:  камеры сгорания, нагревателея, динамика термодинамических процессов.