Роторно–лопастные машины
Конструктивные особенности

С целью сравнения различных конструктивных схем тепловых двигательных установок, формирования критериев их оценки и выбора конструкции, способной обеспечить работу в режиме с внешним подводом тепла, наиболее пригодной для использования в транспортных средствах, основные механизмы двигателей можно классифицировать следующим образом:

• поршневые двигатели; они, в свою очередь, делятся:
• по расположению цилиндров на вертикальные рядные, горизонтальные рядные, V-, W-образные, звездообразные и с противолежащими цилиндрами;
• по расположению поршней на однопоршневые (в каждом цилиндре имеются один поршень и одна рабочая полость),
• с противоположно движущимися поршнями (рабочая полость расположена между двумя поршнями, движущимися в одном цилиндре в противоположные стороны),
• двойного действия (по обе стороны поршня имеются рабочие полости);
• роторно-поршневые двигатели, которые могут быть трех типов:
• ротор (поршень) с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни, совершает сложное плоскопараллельное движение, при движении ротора между ним и стенками корпуса образуются камеры переменного объема, в которых совершается цикл; 
• корпус совершает сложное движение, а поршень неподвижен;
• ротор и корпус совершают вращательное движение – бироторный двигатель;
• орбитальные двигатели, в которых поршень совершает плоскопараллельное движение без вращения вокруг своей оси;
• сферические двигатели, в основе кинематики которых положен шарнирный механизм Гука;
• роторно-лопастные двигатели, роторы-лопасти совершают вращательное-качательное движение в цилиндрическом корпусе.

Кривошипно-шатунный механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Детали кривошипно-шатунного механизма участвуют в совершении рабочего процесса и воспринимают механические и тепловые нагрузки.

К достоинствам кривошипно-шатунной поршневой схемы можно отнести – простоту и надежность в работе, высокую экономичность по удельному расходу топлива, высокую гибкость в управлении. Помимо достоинств, поршневые схемы обладают и недостатками, ограничивающими область их применения. К ним относятся следующие:

• наличие возвратно-поступательного и возвратно-качательного движения частей кривошипно-шатунных механизмов, что является причиной возникновения сил инерции пропорциональных квадрату скорости вращения, вследствие чего рабочие числа оборотов ограничены;
• большие удельные массы двигателей, увеличивающиеся по мере уменьшения числа оборотов, и вследствие этого большие абсолютные массы деталей машины;
• ограниченные мощности рабочих цилиндров и, следовательно, агрегатные мощности двигателей по сравнению с газотурбинными и паротурбинными установками.

Основой механизма  Баландина является промежуточное звено типа коленчатого вала [23]. На шейках его кривошипов установлены поршневые штоки с поршнями. Для обеспечения возвратно-поступательного движения ползунов применяют направляющие.

Достоинства бесшатунного двигателя – по сравнению с рядом поршневых двигателей внутреннего сгорания и газовыми турбинами он компактнее, менее металлоемок. Кроме того, двигатели данной конструкции имеют высокую оборотность, рациональный двухсторонний рабочий процесс в цилиндрах, эффективную систему охлаждения поршней, высокий механический КПД.

Аксиально-поршневой механизм позволяет получить компактный двигатель с высокой плотностью компоновки (отношение рабочего объёма к объёму двигателя) по сравнению с двигателем с кривошипно-шатунным механизмом. Аксиально-поршневая схема может работать как по двухтактному, так и по  четырехтактному циклу [24, 29].

Аксиально-поршневая схема с использованием цикла Стирлинга применялись в торпедах в 40-50 годах.  Применение с качающейся шайбой в двигателях Стирлинга обеспечивает существенные преимущества над двигателями других типов [27].

Можно отметить следующие существенные недостатки такой схемы: значительное повышение габаритной мощности двигателя с ростом числа цилиндров, сложность пуска двигателя и привода вспомогательных механизмов, а также высокие контактные напряжения косой шайбы и сопряжённых с ней деталей.

Кроме того, существенными проблемами являются: уравновешивание двигателей при регулировании хода поршня (при изменении угла наклона шайбы), компоновка механизма газораспределения и равномерное чередование вспышек в цилиндрах при их нечётном числе, обеспечение удовлетворительного качества рабочего процесса при переменном объёме камеры сжатия.

На рисунке приведена упрощенная схема сферического двигателя. Сферический двигатель кинематически является шарниром Гука, роторный узел которого образует в сферической полости корпуса два расширительных контура. Каждый контур состоит из двух оппозиционно работающих камер переменного объема. За один оборот все четыре камеры совершают полный рабочий цикл (сжатие и расширение). Коммутация смены рабочих циклов происходит автоматически за счет перекрытия впускных-выпускных каналов ротора сферического двигателя. При параллельном подключении расширительных контуров рабочее тело на входе и на выходе машины имеет неразрывное струйное течение, а при движении внутри машины движется порционно, гармонически (в случае несжимаемого рабочего тела). За один оборот объем вытесняемого рабочего тела составляет 4/7 объема камерообразующей сферы. Двигатель имеет систему смазки и охлаждения роторного узла. Двигатель является реверсной и обратимой машиной, не имеет "мертвых точек" характерных для поршневых машин, крутящий момент на валах двигателя близок к постоянному.

Сферический двигатель работает без шума и вибрации. Роторы совершают только вращательное движение, являются полностью статически и динамически сбалансированными. Отсутствие преобразования одного вида движения в другое (например, возвратно-поступательного во вращательное) позволяет работать двигателю на высоких частотах вращения, недоступных для объемных машин других типов. Благодаря чему двигатель имеет высокие удельно-габариные показатели мощности (производительности) превосходящие в несколько раз соответствующие показатели, как машин объемного вытеснения других типов, так и лопаточных машин. Сферический двигатель имеет механический КПД 95%. Производительность двигателя прямо пропорциональна скорости вращения роторов, что позволяет контролировать и управлять расходом рабочего тела.

Сферический двигатель является конструктивно симметричной машиной. Имеет простую конструкцию, состоящую из пяти узловых деталей (элементов): двух полукорпусов и трех роторов. Полукорпуса и два ротора являются соответственно технологически тождественными, а в ряде случаев исполнения двигателя полностью взаимозаменяемыми, что обуславливает низкую стоимость в производстве. Совокупность перечисленных особенностей сферического двигателя уникальна и не встречается ни в одном из известных механизмов.

Сферический двигатель в несколько раз превосходит все характеристики поршневых машин, а по параметру удельной массовой мощности конкурирует с лопаточными турбомашинами, превосходя их в классе машин малой мощность, где они становятся малоэффективными. К недостаткам следует отнести наибольшую сложность изготовления, невозможность модульного наращивания двигателя, сложность и ненадежность конструкции уплотнений.

Конструкция двигателя предложена Ральфом Саричем. Упрощенная схема двигателя приведена на рисунке. На выходном валу имеется кривошип, на котором установлен поршень. Благодаря системе синхронизации поршень при вращении вала совершает только переносное движение, и все его боковые грани во время работы остаются параллельными сами себе [16].

Полость между корпусом и поршнем разделена несколькими лопатками, скользящими в пазах корпуса. Концы лопаток шарнирно соединены с вершинами поршня. Объем камер, полученный при делении полости между корпусом и поршнем лопатками на части, при вращении вала изменяется от минимума до максимума. Без наличия газораспределительного механизма в такой машине возможен только двухтактный цикл.

Двигатель Сарича развивает мощность до 200 л.с. По подсчетам специалистов, при массовом производстве орбитальный двигатель благодаря простоте конструкции (всего 10 движущихся деталей) будет обходиться во много раз дешевле двигателей, применяемых в автомобильной промышленности в настоящее время. В тоже время двигатель не лишен недостатков. Основная проблема – это потери на трение, которые в орбитальном двигателе выше, чем в поршневом.

В роторно-поршневых двигателях сжатие, расширение, выпуск и впуск рабочего тела производятся при изменении объемов полостей, образованных между корпусом двигателя и совершающим сложное планетарное движение ротором, имеющим треугольную форму. Главное их отличие от поршневых двигателей состоит в замене возвратно-поступательного движения поршней вращательным. Вследствие этого может быть увеличена частота вращения вала двигателя, что при одинаковом массовом заряде рабочего объема позволяет получить большую мощность. Поэтому при одинаковой мощности роторно-поршневые двигатели компактнее обычных поршневых двигателей и легче последних [16] .

На рисунке приведена конструкция роторно-поршневого двигателя. Его основными частями являются корпус, эксцентриковый вал и ротор. В корпусе вращается эксцентриковый вал  отбора мощности, на котором установлен ротор. Ротор при вращении эксцентрикового вала совершает сложное движение, обусловливающее скольжение вершин ротора по эпитрохоидальной внутренней поверхности корпуса. Так как за один оборот ротора происходит три рабочих цикла в трех полостях, то за один оборот эксцентрикового вала происходит один полный рабочий цикл двигателя.

В двигателях подобной конструкции почти на 40% меньше деталей, чем в обычном поршневом двигателе, он на 15—20% легче. Двигатель лучше уравновешен, в выхлопных газах содержится меньше окислов азота, а окись углерода и несгоревшие углеводороды легко нейтрализуются в несложных устройствах. В числе недостатков данной конструкции можно назвать недолговечность уплотняющих элементов и некоторую сложность смазки уплотнений.

Роторно-лопастной двигатель, содержит два ротора с лопастями и цилиндр с “впускными” и “выпускными” окнами. В двигателе предусмотрен механизм связи, позволяющий роторам совершать движение друг относительно друга и вращательно колебательное движение относительно цилиндра, а также механизм, позволяющий суммировать движение роторов и передать равномерное вращение выходному валу.

В роторно-лопастном двигателе все четыре основных такта рабочего цикла происходят одновременно. Благодаря полностью симметричной конструкции двигатель данного типа хорошо уравновешен и создает минимальный уровень вибрации.

Сравнение конструктивных схем