Mio-tech-service.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое ротативный двигатель

Ротативный двигатель

Ротативный двигатель — звездообразный двигатель воздушного охлаждения, основанный на вращении цилиндров (обычно представленных в нечетном количестве) вместе с картером и воздушным винтом вокруг неподвижного коленчатого вала, закреплённого на моторной раме [1] . Подобные двигатели широко использовались во времена первой мировой войны и гражданской войны в России [1] . На протяжении этих войн ротативные двигатели превосходили по мощности на единицу массы двигатели водяного охлаждения, поэтому в основном использовались именно они (в истребителях и самолетах-разведчиках) [2] .

Математика в космонавтике: ротационный детонационный двигатель

Отправка кого-то или чего-то за пределы нашей планеты и по сей день является крайне сложным и дорогостоящим удовольствием. В то время как космические путешественники из различных научно-фантастических произведений массовой культуры используют ретрансляторы («Mass Effect»), варп-двигатели («Стартрек») или даже звездные врата («Звездные врата»), в реальности же все куда прозаичнее. На данный момент нам не известны такие нереальные технологии, потому мы используем ракетное топливо. Естественно, для запуска одного шаттла или ракеты-носителя топлива нужно крайне много. Решить эту проблему может новый вид двигателей — ротационный детонационный. Пока процесс его разработки далек от завершения, ученые из Вашингтонского университета решили создать математическую модель данного устройства, чтобы лучше понять принцип его работы. Это позволит инженерам проводить точные тесты прототипов и лучше понимать, какие именно улучшения необходимо внедрять. Итак, как выглядит ракетный двигатель глазами математика и что удалось узнать благодаря моделированию? Ответы на эти вопросы ждут нас в докладе исследовательской группы. Поехали.

Основа исследования

Вполне очевидно, что для вывода космического аппарата за пределы атмосферы Земли требуется огромное количество энергии. Количество этой энергии зависит от используемого топлива и от двигателя аппарата. Вариантов первого существует немало, однако они далеки от научно-фантастических эквивалентов по своей эффективности. Потому немало внимания уделяется разработке именно нового типа двигателей.

Классический ракетный двигатель работает за счет экзотермической химической реакции горючего и окислителя. Когда эти два компонента топлива вступают в реакцию, генерируется много тепловой энергии и газообразного рабочего тела, которое расширяется. Это приводит к тому, что его внутренняя энергия преобразуется в кинетическую энергию реактивной струи. По своей сути этот химический процесс дефлаграционный, т.е. процесс дозвукового горения.

Дефлаграцию можно заменить на детонацию, когда по веществу распространяется ударная волна, инициирующая химические реакции горения. Тип двигателя, реализующий такую модель, называется импульсный детонационный двигатель, однако он также пока еще в разработке.

В рассматриваемом исследовании речь идет о ротационном детонационном двигателе (RDE, т.е. rotating detonation engine) — устройстве, создающее тягу, в котором самоподдерживающиеся ударные волны, вызванные горением (детонации) распространяются азимутально в кольцевой камере сгорания.

Горючее и окислитель впрыскиваются в канал, обычно через небольшие отверстия или щели (кольцевые зазоры). Благодаря узкому кольцевому зазору градиенты плотности и давления, вызванные тепловыделением, самоусиливаются, в конечном итоге образуя ударные волны, достаточно сильные для самовоспламенения топлива.

Стабильная работа RDE, являющаяся объектом исследования, объединяет в себе баланс нескольких аспектов: горение, впрыск и смешивание, выпуск и выброс энергии. Если эти переменные не сбалансированы, то возникает дестабилизация работы двигателя, которая проявляется в виде перехода к другому количеству волн или в виде модуляции скорости волны.


Изображение №1: схема RDE.

Вычислительное гидродинамическое моделирование RDE позволяет детально исследовать волновую структуру и потоковое поле* двигателя.

Потоковое поле* — распределение плотности и скорости жидкости в пространстве и времени.

Векторное поле* — преобразования пространства, где каждая его точка отображается в виде вектора с началом в этой точке.

Бифуркация* — качественное изменение поведения динамической системы при бесконечно малом изменении её параметров.

Несмотря на ожидаемые сложности, было решено проводить моделирование, но с использованием новых экспериментальных данных по нелинейной динамики вращающихся детонационных волн. Это позволило создать модель, которая учитывает самые незначительные изменения, тем самым фиксируя бифуркации, наблюдаемые на практике во время экспериментов.

Экспериментальная часть

Для проведения полноценно исследования и соответствующего моделирования были проведены определенные эксперименты. Для этого был специально подготовлен RDE и тестовая камера для изучения динамики вращающейся волны детонации. Двигатель, используемый для этого исследования, уникален тем, что его внутренние компоненты являются модульными. Части двигателя могут быть заменены для получения различных кольцевых зазоров и длины камеры сгорания. Также можно заменить инжектор, что позволяет исследовать разные варианты соединения и смешивания топлива.


Изображение №2

Тестовая камера оптически доступна, что позволяет регистрировать полную кинематическую историю всех детонационных волн с высоким пространственно-временным разрешением ().

Каждый эксперимент представляет собой 0.5 секундное сжигание газообразного метана и кислорода с заданной пропорцией и скоростью подачи. В успешном эксперименте искра зажигает смесь и производит ускоряющее пламя, которое переходит в ряд бегущих детонационных волн.

В основе данного исследования лежит предположение, что наблюдаемая светимость в экспериментах коррелирует с прогрессом сгорания. Следовательно, более яркие области демонстрируют более высокое тепловыделение, чем более темные области. Если это предположение правдиво, то можно рассмотреть несколько примеров форм сигналов, извлеченных из данных с высокоскоростной камеры.

Читать еще:  Шкода рапид какой двигатель надежнее

Кинематика волны может быть получена из данных камеры с помощью алгоритма интеграции интенсивности пикселей и зафиксирована в виде диаграммы (2b).


Изображение №3

Записи камеры также могут быть преобразованы в волновую систему отчета, в этом случае разности фаз между волнами будет отчетливо видна.

На графике представлены данные с 2b в виде волновой системе отчета, а на показана соответствующая скорость отслеживаемой волны.

Для этих данных время было определено как τ = t(Dwave/L), где L — длина периодической области, а Dwave — скорость волны в состоянии синхронизации мод.

На виден переход от одной волны к двум во время процесса запуска. При таком переходе мод после критической точки образуется вторая детонационная волна, которая начинает распространяться вокруг кольца. Однако расстояние между двумя волнами в кольцевом пространстве асимметрично, что вызывает дисбаланс в количестве топлива, потребляемого каждой из волн. Волна с координатой θ1, идущая за предыдущей волной θ2, существует с разностью фаз Ψ = θ2 — θ1 2 (x — x) и λ (x, 0) = 0 и λ(x, 0) = 0.

Была определена скорость Чепмена—Жуге (CJ) для данной системы (невязкой устойчивой волны, в которой вся энергия была передана в волну в бесконечно тонкой реакционной зоне). Эта постоянная скорость волны определяется как минимальная скорость, которая удовлетворяет условиям Ранкина-Гюгонио* для заданного тепловыделения. В отсутствие потерь эта минимальная скорость равна DCJ = (η1 + q) + √ q (q + 2η1). В случае η1 = 0 скорость волны становится равной 2q.

Адиабата Ранкина-Гюгонио* — математическое соотношение, связывающее термодинамические величины до и после ударной волны.

Эта скорость является метрикой, по которой измеряются бегущие волны в рассматриваемой модели.


Изображение №8

На изображении выше представлена эволюция стандартного экспериментального моделирования. Поскольку начальный sech-импульс значительно выше ηc, среда локально и быстро выделяет тепло. Волна становится «острее» и образует детонацию. Этот начальный импульс распространяется со скоростью CJ, пока не достигнет своего хвоста, и в этот момент волна начинает быстро рассеиваться и замедляться: ограниченная величина горения не может продолжать поддерживать волну при DCJ = 2q. Кроме того, быстрое тепловыделение (по сравнению со шкалой времени рассеяния энергии) исходной волны CJ приводит к увеличению среднего значения η в области, значительно превышающего значение η окружающей среды и значение ηc воспламенения.

Таким образом, эффективная энергия активации активной среды уменьшается, и во всей области повышается паразитная дефлаграция или медленное тепловыделение, не связанное с бегущими волнами. Поскольку время прохождения исходной бегущей волны было увеличено за счет рассеяния, паразитная дефлаграция имеет достаточно времени для завершения процесса дефлаграции-детонации (DDT, т.е. deflagration-to-detonation) и формирования множества детонационных волн с меньшей амплитудой.

Чтобы вызвать процесс перехода мод, когда имеется состояние стабильной моды, было использовано ступенчатое изменение s, что вызвало бифуркацию. Пример такого перехода показан на 4b, где две первоначально вращающиеся детонационные волны с синхронизацией мод становятся неустойчивыми и разрушительно раздваиваются.

Низкоамплитудные разности фаз возрастают экспоненциально, что наблюдалось и во время экспериментов (). В течение периода колебаний две волны обмениваются силой (амплитудой) и скоростью. Для заданной функции впрыска β и потерь скорость роста неустойчивости и период колебаний параметризуются степенью примененного шага в изменении параметров s и ηp.

При зарождении новой волны или разрушении существующей совокупность волн в тестовой камере действует дисперсионно, в конечном итоге формируя состояние с синхронизацией мод.


Изображение №9

Выше изображены бифуркационные диаграммы, показывающие зависимость количества волн, скорости волны и амплитуды волны от s и значения потерь. При увеличении s от нуля устойчивые плоские фронты дефлаграции образуются для небольших значений. Как только значение s может способствовать образованию бегущей волны, волны начинают демонстрировать лестницы, где их скорость постепенно увеличивается, пока не произойдет еще одна бифуркация. Эти волны возникают в результате паразитной дефлаграции в процессе DDT. При каждой бифуркации с увеличением числа волн скорость волны падает. Когда значение s становится достаточно большим, число волн увеличивается до тех пор, пока волновые фронты не станут малыми по амплитуде и не сольются в плоскостный фронт дефлаграции.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

25% выше, чем у классической дефлаграции), однако есть и ряд проблем. Основной является нестабильность таких волн. Как говорят сами ученые, любая детонация это неконтролируемый процесс, который протекает так, как ему вздумается.

Для того, чтобы понять этот хаотичный, на первый взгляд, процесс ученые создали математическую модель. Основой модели стали практические эксперименты с двигателем, продолжительность которых составила всего полсекунды, однако этого было достаточно для получения данных, необходимых для формирования модели.

Читать еще:  Что такое тапочек в двигателе

Исследователи говорят, что их модель является первой в своем роде. Она дает возможность понять будет ли такой тип двигателей работать стабильно или же нет, а также оценить работу конкретного двигателя, использованного во время практической части опытов.

Другими словами, модель раскрывает карты того, какие физические процессы протекают во время работы системы. В дальнейшем ученые намерены усовершенствовать свое творение, чтобы его можно было применять уже для определения тех или иных аспектов, которые требуют особого внимания для реализации работающего и стабильного ротационного двигателя.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. 🙂

Немного рекламы 🙂

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Работа роторного двигателя

Сам ротор, напоминающий по форме треугольник, имеет внутри зубчатое колесо, которое сцеплено с валом двигателя.

Сам ротор, напоминающий по форме треугольник, имеет внутри зубчатое колесо, которое сцеплено с валом двигателя, приводимым во вращение за счёт расширяющихся газов, воздействующих на ротор. Для обеспечения сжатия-расширения топливной смеси камера («цилиндр»), в которой вращается ротор, имеет сложную форму. Такую форму поверхности называют эпитрохоидальной, и для её точного изготовления требуется высокоточное оборудование. Более того, зубцы ротора и вала расположены таким образом, чтобы поршень (имеющий вид треугольника Рело), вращался по этой сожной траектории, «углами» прижимаясь к поверхности «цилиндра» – иначе не избежать прорыва газов в процессе работы двигателя.
Рисунок наглядно демонстрирует, как работает роторный двигатель. Взрывающаяся топливная смесь, впрыснутая через специальное «окно», толкает ротор, а впускное окно автоматически перекрывается стенкой поршня.
Точно также, в нужные моменты, закрывается и открывается «выпускной клапан».

Типы компрессоров

Ротационные нагнетатели, развивающие избыточное давление до 0,28 – 0,3 МПа (при атмосферном давлении на входе), называют воздуходувками, а создающие более высокое давление — компрессорами.

Ротационный компрессор и воздуходувки имеют ряд преимуществ перед поршневыми:
уравновешенный ход из-за отсутствия возвратно-поступательного движения;
возможность непосредственного соединения с электродвигателем;
равномерная подача газа;
меньший вес конструкции;
отсутствие клапанов.

Вместе с тем, по сравнению с поршневыми, ротационные компрессоры имеют более низкий механический КПД, развивают более низкое давление, требуют более высокой точности изготовления.

Наибольшее распространение в различных отраслях пищевой промышленности получили два типа ротационных машин:

Ротационно пластинчатые компрессоры – применяются для создания относительно высокого давления (0,3 – 0,4 МПа). Если установить последовательно два ротационных пластинчатых компрессора с промежуточным охлаждением воздуха, то можно обеспечить давление до 0,7 МПа и более. Одноступенчатый пластинчатый компрессор работая как вакуум-насос, может создавать вакуум до 90%, а при особой тщательности изготовления и монтажа – до 95%.

Ротационный винтовой компрессор в настоящее время в основном используется в холодильной технике. Принцип его работы схож с работой винтового насоса и состоит в следующем. Когда вращаются винты, то на стороне выхода зубьев из зацепления освобождаются так называемые впадины – полости между зубьями. Из-за создаваемого компрессором разрежения эти полости заполняются паром, поступающим из всасывающего патрубка В момент, когда на противоположном торце роторов полости полностью освобождаются от заполняющих их зубьев, объем полости всасывания достигает максимальной величины. Пройдя всасывающее окно, полости разъединяются с камерой всасывания.

По мере входа зуба ведомого ротора во впадину ведущего занимаемый газом объем уменьшается и газ сжимается. Процесс сжатия паров в парной полости продолжается до тех пор, пока уменьшающийся объем со сжатым паром не подойдет к кромке окна нагнетания.

Ротационный компрессор с двумя вращающимися поршнями используется как низконапорные воздуходувки с избыточным давлением 0,06 – 0,08 МПа. Такой компрессор, работая как вакуум насос, создает вакуум до 70%.

Устройство ротационного компрессора

Ротор компрессора 2 расположен эксцентрично в цилиндре. В роторе сделаны радиальные прорези, в которых свободно перемещаются пластины 5. Вокруг цилиндра расположена водяная рубашка 4 для охлаждения компрессора. При вращении ротора по часовой стрелке через патрубок 1 происходит всасывание, а через патрубок 6 – нагнетание газа.

Читать еще:  Formula 1 характеристика двигателя

Благодаря эксцентричному расположению ротора при его вращении образуется серповидное пространство, разделенное пластинами на отдельные камеры. Пластины выходят из пазов ротора вследствие действия центробежной силы и прижимаются к стенкам цилиндра.

Ротационный компрессор принцип работы

Так как крышки компрессора примыкают к торцевым поверхностям ротора с малым зазором, отдельные камеры, на которые делится серповидное пространство, оказываются изолированными, увеличивающимися до некоторого объема 3, а затем уменьшающимися.

Вследствие того, что объем газа в камерах левой части серповидного пространства увеличивается, всасывание происходит через патрубок 1, а нагнетание через патрубок 6, так как при дальнейшем перемещении ротора происходит уменьшение объема газа в камерах и его выталкивание.

Для уменьшения трения центробежная сила пластин воспринимается двумя разгрузочными кольцами 2, которые охватывают пластины и свободно вращаются в цилиндре. В зазор между внешней поверхностью разгрузочных колец и внутренней поверхностью выточек в цилиндре через отверстия подается масло. Число пластин в таких компрессорах обычно бывает не менее двадцати, чтобы уменьшить перепад давления между камерами и этим ослабить перетекание газа и увеличить объемный КПД.

Для предотвращения чрезмерного износа цилиндра и пластин, окружная скорость на внешней кромке пластин должна быть не больше 10 – 12 м/с. Для обеспечения плотного прилегания пластин к внутренней поверхности цилиндра необходимо, чтобы минимальная окружная скорость была в пределах 7-7,5 м/с. Поэтому изменение частоты вращения ротационных компрессоров допустимо только в определенных пределах.

Воздуходувки

В качестве воздуходувок чаще всего применяется ротационный компрессор с двумя вращающимися поршнями.

Такие компрессоры могут применяться и как вакуум насосы, например во всасывающих системах пневмотранспорта зерна и солода на пивоваренных и спиртовых заводах.

Конструкция такого компрессора состоит из корпуса 3, в котором вращаются в противоположных направлениях два поршня 4, профилированных в виде восьмерок с циклоидальным зацеплением. Привод осуществляется с помощью зубчатой передачи.

В процессе вращения поршни непрерывно соприкасаются, разделяя объем корпуса на отдельные камеры. Воздух всасывается через патрубок 5, а затем при повороте роторов он попадает в замкнутую камеру 1 (заштрихованную на рисунке) и, не меняя объема, перемещается к нагнетательному патрубку 2, через который выталкивается в нагнетательный трубопровод или наружу.

Следовательно, сжатие происходит только в самом конце цикла в момент сообщения замкнутой камеры с воздухом в нагнетательном патрубке воздуходувки.

Недостатками ротационных компрессоров с двумя вращающимися поршнями считают существенное уменьшение объемного КПД при малейшем увеличении зазоров, а так же сильный шум, который создают воздуходувки во время работы.

Видеоматериалы

Ротационный компрессоры бывают нескольких типов – это ротационной винтовой тип компрессора, ротационный пластинчатый тип компрессора и воздуходувки.

Оборудования этого вида относится к объемному типу компрессоров и осуществляет работу по нагнетанию воздуха за счет сжатия вещества с помощью вращающегося ротора.

Выбор машинки для ПМ и их стоимость

В завершении отметим стоимость оборудования. Здесь дается огромное поле. Есть полупрофессиональные аппараты по стоимости от 5000 грн и профессиональные “гиганты” по цене от 15000 грн. Но стоимость в этом случае играет второстепенную роль.
Чтобы выбрать машинку для перманентного макияжа, для начала ознакомьтесь с техническими характеристиками оборудования, подержите его в руках, сделайте тестовую работу на искусственной коже. Вам должно быть удобно держать аппарат в руках, не тяжело. И, конечно, результат должен нравиться. Только после ориентируйтесь на цену. Однако и дешевить не стоит. Вряд ли качественное оборудование будет стоить дешево. Не забывайте, что от его качества зависит конечный эффект вашей работы. И, как итог, ваша репутация и отзывы клиентов.

Виды электробритв

Для щетины бывают:

  • Роторные — как правило, имеют одну или несколько плавающих, плоских головок. Верхняя часть — сетчатое лезвие, под ним вращаются ножи.
  • Вибрационные — аналогично роторным имеется сетчатое изогнутое (перевернутое U-образное) лезвие, параллельно ему по короткой амплитуде (поступательно) движутся ножи.

Основное заблуждение — разделять на роторные и сеточные бритвы. В любом случае режущий (движущийся нож) расположен под сеткой и не важно, по какому принципу работает электробритва. Волосок проходит сквозь отверстие в сетки, нож давит на волос (в этом случае режущим лезвием выступает сетка) или срезает его — один элемент служит упором.

Для подрезания усов, бакенбард в электробритве предусмотрен откидывающийся или выдвижной триммер.

Принцип работы гидротормоза

Когда ротор гидротормоза вращается, механическая энергия вращения коленчатого вала двигателя передается воде за счет создания турбулентности и трения. Перемещение воды из камер статора в камеры вращающегося ротора, требует большого количества энергии. Эта энергия нагревает воду за счет трения, когда вода проходит через гидротормоз. Почти вся поглощаемая системой мощность двигателя преобразуется в нагрев воды. Очень небольшое количество энергии забирается подшипниками и уходит на трение внутри уплотнений.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector