Предисловие автора. Обсуждаемой в статье проблемой я заинтересовался ещё в прошлом веке в поиске надёжного лёгкого двигателя для реализации запатентованного мною «Способа управления пограничным слоем на поверхности крыла толстого профиля и устройства для его реализации» (патент РФ № 2157777). В то время наибольшей удельной мощностью обладали газотурбинные двигатели, которые, однако, были достаточно эффективны на сравнительно больших оборотах. Несколько меньшей удельной мощностью, но всё-таки существенно большей, чем поршневые, обладал двигатель Ванкеля, который и был выбран в качестве прототипа для собственной разработки роторно-лопастного двигателя непрерывного горения (свидетельство на полезную модель № 14387 с приоритетом от 18 января 2000 г.). Этот двигатель (РДК) послужил родоначальником целого семейства роторно-лопастных двигателей разных авторов и конструкций (в этом семействе есть и несколько моих патентов: патенты РФ № 2220308, 2239713, 88739). Однако, бурное развитие топливных элементов поставило под вопрос целесообразность дальнейших усилий по совершенствованию ДВС, тем более для моей основной цели – аэромобиля. Однако, уже имевшиеся к тому времени наработки могут оказаться полезными. Одной из таких разработок и посвящена эта статья. 
В.А. Коноваленко
Дисковый двигатель непрерывного горения (ДДНГ)
Одной из основных проблем конструирования двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является проблема уменьшения их веса (повышения удельной мощности). Известны различные пути решения указанной проблемы, в частности: Однако даже в лучших конструкциях наиболее распространённых четырёхтактных двигателей удельная мощность не превышает 2 кВт/кГ. Основным же препятствием является способ конструктивной реализации термодинамического цикла: все составляющие цикла локализованы в пространстве и протекают последовательно во времени. Это означает, что каждый рабочий объём только часть времени использует для извлечения энергии из топлива, а остальное время занято вспомогательными процессами. Даже частичное изменение этого способа в двухтактных двигателях – попарное разнесение составляющих цикла в пространстве и их совмещение во времени даёт существенный выигрыш в массе двигателя.
Наиболее полно пространственное разнесение составляющих термодинамического цикла и их совмещение во времени реализуется в газотурбинных двигателях (ГТД). Эти двигатели достигают значений удельной мощности (без дополнительных агрегатов, прежде всего, редукторов – до 7 кВт/кГ. Однако принципиальной особенностью газотурбинных двигателей является необходимость преобразования потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую. Вследствие этого повышение энергоёмкости рабочего тела означает увеличение скорости потока рабочего тела, следовательно, увеличения угловой скорости ротора, а это в свою очередь приводит к необходимости редукции скорости вращения выходного вала. В итоге масса редуктора становится соизмеримой, а порой превышает массу самого двигателя и существенно ухудшает суммарные характеристики.
Непрерывный процесс горения топлива с использованием давления рабочего тела, без его преобразования в кинетическую энергию газовой струи, реализует мой роторный герметичный двигатель непрерывного горения (РГК), который зарегистрирован в России (патент РФ № 2220308 с приоритетом от 05.04.2001г.). Задача решается тем, что в РГК камеры сжатия, нагрева, расширения и охлаждения рабочего тела разнесены в пространстве, а процессы сжатия, сгорания и расширения совмещены во времени, что позволяет обеспечить непрерывность выделения энергии и, соответственно, повысить удельную мощность двигателя.

Рис. 1. Принципиальная схема работы двигателя непрерывного горения
Как показали испытания опытного образца РГК, по удельной мощности РГК близок к ГТД. Близкими к РГК (и ГТД) по своим конструктивным и эксплуатационным данным оказались прямой и обращённый двигатели непрерывного горения, зарегистрированные патентом РФ № 2239713 с приоритетом от 26.09.2001г. Конструктивно узлы сжатия и расширения роторных двигателей непрерывного горения представляют собой размещённые в полостях статоров роторы с лопастями, которые при вращении ротора радиально перемещаются до соприкосновения с соответствующими поверхностями статоров.
Однако более подробные исследования опытного образца РГК показали, что указанные выше двигатели имеют ряд эксплуатационных недостатков. Прежде всего, узким местом всех этих двигателей является зона контакта лопастей роторов с поверхностью полости статора, в которой присутствует сила трения, возрастающая при увеличении числа оборотов двигателя. Это связано с тем, что радиальное рабочее движение лопастей происходит с помощью упругих (твёрдотельных или пневматических) элементов, сила воздействия которых зависит от величины радиального смещения лопасти. В том же направлении (в противофазе) действуют инерциальные силы, величина которых зависит от скорости вращения ротора.
Суммарное воздействие этих сил приводит к колебанию лопастей, а при определённых режимах к их биениям. Наконец, поскольку угол между плоскостью лопасти и поверхностью статора непрерывно изменяется в течение цикла, то их контакт осуществляется по непрерывно меняющейся линии касания, что при возникновении биений приводит к нарушению контакта и протечкам рабочего тела.
От этих недостатков свободен дисковый двигатель непрерывного горения (ДДНГ), в котором рабочее движение лопастей выполняется вдоль оси вращения ротора. Термодинамические процессы в ДДНГ аналогичны процессам в роторных двигателях непрерывного горения (РДНГ), сжатие, нагрев, расширение и охлаждение рабочего тела точно так же разделены в пространстве и совмещены во времени, что позволяет реализовать все преимущества РДНГ, исключив перечисленные выше недостатки.
Работа ДДНГ поясняется далее на рисунке 2.

Рис. 2. Принцип работы ДДНГ
Здесь 1 – лопасть, 2 – диск, 3 – корпус, 4 – вал диска, штрихами показаны контуры рабочей полости.
Рабочая полость в корпусе ДДНГ имеет форму толстого кольца, деформированного так, как показано на рисунке 2 слева. Полость разделена диском на два рабочих объёма. В расположенных по диаметру диска окнах свободно могут перемещаться лопасти, длина которых равна сумме толщин кольца и диска. На рисунке 2 справа показана динамика работы ДДНГ с двумя концентрическими полостями, которые образуют узел сжатия (внутренняя полость) и расширения (внешняя полость).
Лопасти перекрывают рабочие объёмы и, при вращении диска, уменьшают часть рабочего объёма перед собой и, соответственно, увеличивают часть рабочего объёма за собой. При этом происходит выталкивание газов из передней части рабочего объёма и всасывание в задней (по ходу вращения диска) части через соответствующие отверстия. Рабочие объёмы, полученные разделением рабочей полости диском, работают в противофазе, подобно двухцилиндровому поршневому двигателю.
Такая система может служить как узлом сжатия, так и узлом расширения. Концентрическое совмещение двух таких систем на одном диске, как это показано на рис. 3, позволяет свести воедино узлы сжатия и расширения. При этом соответствующий выбор радиусов полостей позволяет обеспечить необходимое соотношение рабочих объёмов.

Рис. 3. Дисковый двигатель непрерывного горения
На рисунке 3 лопасти узлов сжатия и расширения ради наглядности расположены в одной плоскости. На самом деле из соображений прочности их следует располагать со смещением на 900 друг относительно друга. На этом рисунке не показана коммутация рабочих объёмов внутри узлов и самих узлов с остальными элементами двигателя. Буду рад, если высказанные здесь идеи и принципы найдут своих реализаторов.
В оглавление