Ефективність роторно-поршневих двигунів із шарнірно-кулачковим механізмом перетворення руху

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorТимошевський Б. Г.uk_UA
dc.contributor.authorМитрофанов, О. С.
dc.contributor.authorMytrofanov, Oleksandr S.
dc.date.accessioned2021-09-13T06:55:20Z
dc.date.available2021-09-13T06:55:20Z
dc.date.issued2021
dc.descriptionМитрофанов, О. С. Ефективність роторно-поршневих двигунів із шарнірно-кулачковим механізмом перетворення руху : дис. д-ра техн. наук : 05.05.03 / О. С. Митрофанов ; наук. консультант Б. Г. Тимошевський ; НУК. – Миколаїв, 2021. – 411 с.uk_UA
dc.description.abstractМитрофанов О. С. Ефективність роторно-поршневих двигунів із шарнірно-кулачковим механізмом перетворення руху. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.03 – двигуни та енергетичні установки (Технічні науки). – Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Міністерство освіти і науки України, Миколаїв, 2021. Науково-прикладною проблемою, яка вирішується у дисертаційній роботі, є підвищення ефективності застосування енергетичного потенціалу стиснутого робочого тіла шляхом раціональної організації робочого процесу перетворення потенційної енергії в механічну роботу, а саме забезпечення збільшення повноти розширення, зменшення зворотного стиснення та газодинамічних втрат робочого тіла у машинах об’ємної дії в енергетичних установках на їх базі. Необхідність зниження енергетичних витрат установок, що використовують потенційну енергію стиснутого робочого тіла, визначає запит практики, спрямований на підвищення ефективності перетворення енергії шляхом розробки та впровадження в промисловість нових енергоефективних машин об’ємної дії. Крім того, розробка нових двигунів дозволить задовольнити специфічні експлуатаційні вимоги нових сучасних напрямків застосування, а також забезпечити зниження масогабаритних показників, надійність та працездатність на всіх експлуатаційних режимах незалежно від умов експлуатації. Згідно із запитом практики визначена мета дослідження дисертаційної роботи – підвищення ефективності використання низькопотенційної енергії стиснутого робочого тіла в машинах об’ємної дії при перетворенні у механічну роботу в енергетичних установках. Робочою науковою гіпотезою наукового дослідження є твердження, що підвищення ефективності перетворення низькопотенційної енергії стиснутого робочого тіла в механічну роботу в машинах об’ємної дії досягається поєднанням переваг організації робочого процесу ротаційних та поршневих двигунів (регулювання початку і тривалості процесу наповнення, збільшення повноти розширення робочого тіла, зниження мертвого об’єму та газодинамічних втрат при газообміні) шляхом нових конструктивних рішень (поєднання зворотно-поступального руху поршня при одночасному його обертанні разом з ротором). Для підвищення ефективності процесу перетворення низькопотенційної енергії стиснутого робочого тіла при розширенні в машинах об’ємної дії пропонується використати ідею поєднання конструкцій руху ведучої ланки ротаційних (обертовий рух) та поршневих (зворотнопоступовий рух) двигунів, що забезпечить урахування переваг й особливостей організації робочих процесів двох різних типів двигунів. Об’єктом дослідження є процеси перетворення енергії в роторно-поршневих двигунах об’ємної дії. Предметом дослідження є параметри, характеристики та закономірності процесів перетворення енергії, які відбуваються у роторно-поршневих двигунах об’ємної дії. Задачі наукового дослідження 1. Аналіз процесів, технічного рівня, умов експлуатації, переваг і недоліків застосування, особливостей конструкції машин об’ємної та динамічної дії, що випускаються серійно, а також можливих перспективних видів з метою виявлення резервів і напрямків підвищення їх ефективності. 2. Створення фізичної моделі підсистеми ЕУ з використання стиснутого робочого тіла та її елементів на базі дослідного зразка роторно-поршневого двигуна із шарнірно-кулачковим механізмом руху, а також розробка програми проведення експериментальних досліджень процесів у них і параметрів роботи. 3. Визначення експериментальним шляхом закономірностей зміни енергетичних та економічних показників роботи роторно-поршневого двигуна із шарнірно-кулачковим механізмом руху, а також дослідження впливу на них експлуатаційних параметрів двигуна (обертів і робочого тиску) й регулювання тривалості процесу наповнення. 4. Удосконалення математичної моделі робочого циклу машин об’ємної дії, що передбачає врахування впливу особливостей поєднання переваг організації робочого процесу ротаційних і поршневих двигунів через конструкцію механізму руху та газообміну. 5. Виявлення закономірностей взаємного впливу конструктивних (діаметр робочого циліндра, хід поршня, відносний мертвий об’єм), експлуатаційних (оберти й робочий тиск) і регулюючого (ступеня наповнення робочого циліндра) параметрів на індикаторні показники роботи при перетворенні низькопотенційної енергії стиснутого робочого тіла в роторно-поршневих двигунах об’ємної дії із шарнірно-кулачковим механізмом руху. 6. Синтез нових науково обґрунтованих схемних рішень енергетичних установок різного призначення на базі роторно-поршневих двигунів із шарнірно-кулачковим механізмом руху та дослідження показників ефективності перетворення низькопотенційної енергії стиснутого робочого тіла в двигунах залежно від умов їх експлуатації. 7. Розробка загальних основ конструювання й проектування роторно-поршневих двигунів із шарнірно-кулачковим механізмом руху, а також відповідних рекомендацій щодо стендових та контрольних випробувань і тривалості проведення обкатки. 8. Апробація та впровадження результатів наукового дослідження ефективності роторно-поршневих двигунів із шарнірно-кулачковим механізмом руху енергетичних установок з машинами об’ємної дії. У вступі подана загальна характеристика дисертації, а саме обґрунтована актуальність наукового дослідження, сформульовані мета й головні задачі, визначені об’єкт та предмет. Викладені наукова новизна й практична цінність одержаних результатів дослідження, а також зазначений особистий внесок здобувача, наведені дані щодо апробації результатів роботи та публікацій за темою наукового дослідження. У першому розділі проаналізовано конструкцію, принцип роботи та сфери використання різних типів серійних двигунів об’ємної та динамічної дій, що дозволило виділити ряд експлуатаційних переваг і недоліків їх застосування у різних сферах промисловості. Проведено аналіз можливих альтернативних машин об’ємної дії та конструктивних ідейних рішень у них. Виділено основні переваги й недоліки цих рішень, пов’язаних з експлуатацією і технологією виготовлення. Виявлено значний вплив конструктивного виконання та організації робочого процесу в двигунах на ефективність перетворення потенційної енергії стиснутого робочого тіла. Визначено перспективність розробки нових енергоефективних машин об’ємної дії для комплексного вирішення науково-прикладної проблеми ефективності використання енергетичних ресурсів, що є актуальною та пріоритетною проблемою в енергетиці. У другому розділі розроблена загальна методологія проведення дисертаційної роботи, яка відображена у вигляді технологічної карти наукового дослідження. На основі запиту практики визначені мета дисертації та її робоча гіпотеза, а також виділені задачі дисертаційної роботи. Розглянуті основні методи й загальна методика дослідження дослідного зразка роторно-поршневого двигуна об’ємної дії із шарнірно-кулачковим механізмом руху, що відповідають задачам дисертації та є загальноприйнятими й дозволили отримати достовірні та достатньо точні результати. Засобами досягнення поставленої мети наукового дослідження є теоретичні та експериментальні методи дослідження. Відповідно до цілей роботи сформульовано задачі експериментального дослідження й обрано методи проведення цього дослідження, що дозволили перевірити адекватність математичної моделі робочого циклу роторно-поршневого двигуна, а також експериментально встановити вплив основних параметрів, режимів роботи та інших факторів на ефективність перетворення енергії стиснутого робочого тіла. З теоретичних методів дослідження в роботі широко застосовувався метод математичного моделювання. Сформульовано основні вимоги до математичної моделі робочого циклу роторно-поршневого двигуна об’ємної дії із шарнірно-кулачковим механізмом руху. У третьому розділі наведені опис конструкції дослідного зразка роторно-поршневого двигуна об’ємної дії із шарнірно-кулачковим механізмом руху 12РПД 4,4/1,75, методика проведення його науково-дослідних випробувань, відомості про експериментальний стенд, система вимірювання та реєстрації отриманих результатів. Крім того, у розділі подані основні результати експериментальних досліджень роторно-поршневого двигуна об’ємної дії із шарнірно-кулачковим механізмом руху та їх аналіз: дослідження параметрів робочого циклу; режимів роботи й особливостей експлуатації та обслуговування; визначення впливу параметрів робочого циклу на енергетичні й економічні показники двигуна. У четвертому розділі обґрунтовані вимоги та розроблена математична модель робочого циклу роторно-поршневого двигуна об’ємної дії із шарнірнокулачковим механізмом руху, яка враховує особливості кінематики двигуна, а також, базуючись на отриманих експериментальних даних, виконана оцінка адекватності моделі. Виконані дослідження впливу конструктивних параметрів роторно-поршневих двигунів об’ємної дії із шарнірно-кулачковим механізмом руху на ефективність перетворення потенційної енергії стиснутого робочого тіла у робочому циліндрі. У п’ятому розділі виконані аналіз та узагальнення результатів дослідження ефективності використання роторно-поршневих двигунів об’ємної дії із шарнірно-кулачковим механізмом руху в існуючих і перспективних енергетичних установках різного призначення. Наведено порівняння параметрів двигунів різних типів з роторно-поршневими, а також доведено ефективність та перспективність застосування нових двигунів у порівнянні із серійними машинами об’ємної дії. Досліджено можливість використання роторно-поршневих двигунів у транспортних енергетичних установках, газотранспортних і газорозподільних системах, енергетичних установках акумулювання надлишкової електричної енергії, виробленої з відновлювальних джерел енергії, в енергетичних установках отримання та безпечного акумулювання водню із сірководню Чорного моря, а також енергетичних установках з ДВЗ як утилізатора енергії відпрацьованих газів. У шостому розділі подані результати реалізації наукового дослідження в практику проектування та створення роторно-поршневих двигунів об’ємної дії із шарнірно-кулачковим механізмом руху. Наведено загальні основи конструювання та компонування елементів роторно-поршневих двигунів різного призначення, розглянуто питання щодо загального компонування двигуна й схеми підведення повітря, конструювання основних вузлів та деталей, вибору схеми механізму руху, а також особливостей ущільнення. Подано практичні рекомендації щодо технології виготовлення та збирання основних складальних вузлів і деталей. Наведена реалізація результатів наукового дослідження роторно-поршневих двигунів об’ємної дії із шарнірнокулачковим механізмом руху на об’єктах промисловості. Наукова новизна отриманих результатів полягає у тому, що для підвищення ефективності застосування низькопотенційної енергії стиснутого робочого тіла в машинах об’ємної дії при перетворенні у механічну роботу в енергетичних установках: 1) уперше експериментально й теоретично доведено, що збільшення повноти розширення та зменшення зворотного стиснення і газодинамічних втрат низькопотенційного робочого тіла досягаються використанням у роторно-поршневих двигунах об’ємної дії для перетворення поступального руху поршня в обертальний рух ротора шарнірно-кулачкового механізму, а також регулюванням тривалості процесу наповнення, що, відповідно, дозволяє зменшити питому масу на 17…50 %, збільшити відношення пускового крутного моменту до номінального до 11 %, а також зменшити питому витрату робочого тіла (енергії) на 15…24 % у порівнянні із серійними поршневими машинами об’ємної дії із золотниковим газорозподілом, які застосовують як механізм руху кривошипно-шатунний механізм; 2) уперше визначено та експериментально підтверджено, що більш ефективним підходом до регулювання навантаження роторно-поршневих двигунів із шарнірно-кулачковим механізмом руху є регулювання тривалості процесу наповнення (за рахунок зміни фаз газообміну), збільшення якого у 1,43…2,45 рази забезпечує підвищення ефективної потужності у 1,10…1,91 рази, а раціональне співвідношення заданої потужності двигуна, його робочого тиску та ступеня наповнення (у межах 0,2…0,4) дає змогу покращити процес перетворення низькопотенційної енергії стиснутого робочого тіла в механічну роботу й забезпечити зниження питомої ефективної витрати робочого тіла до 10,1 %; 3) уперше експериментально визначено вплив тривалості процесу наповнення робочого циліндра на значення тиску відпрацьованого повітря у випускному колекторі роторно-поршневого двигуна із шарнірно-кулачковим механізмом руху та встановлено, що зменшення ступеня наповнення у 1,43…2,45 рази знижує тиск відпрацьованого повітря у 1,16…2,16 рази, тим самим зменшуючи газодинамічні втрати на випуску; 4) уперше експериментально визначено, що організація процесу газообміну (зміна початку та кінця процесів впуску і випуску) за рахунок використання шарнірно-кулачкового механізму руху в умовах робочого тиску 0,4…0,8 МПа забезпечує діапазон зміни тиску відпрацьованого повітря у випускному колекторі роторно-поршневого двигуна на рівні 0,010…0,075 МПа, що не перевищує та є значно нижчим від допустимих значень (0,105…0,120 МПа) для машин об’ємної дії; 5) уперше експериментально визначено діапазон максимального падіння температури повітря від початкового значення зберігання до кінцевого на випуску з роторно-поршневого двигуна із шарнірно-кулачковим механізмом руху для робочого тиску 0,4…0,8 МПа, який складає 35…43 К, а також установлено вплив обертів двигуна на зниження температури повітря при дроселюванні та розширенні у робочому циліндрі (збільшення обертів у 2,35 разів збільшує падіння температури при дроселюванні в 1,23 рази, при цьому зміна температури при розширенні, залежно від обертів, не перевищує 4,5 %), що дало змогу оцінити ефективність і працездатність двигуна за умов від’ємних температур зберігання робочого тіла (–5…–20 оС); 6) уперше для роторно-поршневих двигунів об’ємної дії із шарнірно-кулачковим механізмом руху методом фізичного й математичного моделювання для різних експлуатаційних параметрів (оберти і робочий тиск) установлено вплив конструктивних параметрів, таких, як діаметр робочого циліндра, хід поршня, відносний мертвий об’єм (зменшення відношення ходу поршня до діаметра робочого циліндра у 1,5 рази знижує питому індикаторну витрату робочого тіла до 60,8 % при одночасному незначному зниженні потужності двигуна до 8,0 %, а зменшення відносного мертвого об’єму в 1,25 рази знижує питому індикаторну витрату робочого тіла до 27,7 % та збільшує потужність двигуна до 28,2 %) на зміну показників їх роботи при перетворенні потенційної енергії стиснутого робочого тіла в механічну роботу. Набуло подальшого розвитку теоретичні основи конструювання й проектування роторно-поршневих двигунів об’ємної дії із шарнірно-кулачковим механізмом руху за рахунок розробки загального компонування двигуна, схеми підведення робочого тіла та конструкції основних вузлів і деталей, а також вибору способу ущільнення та конструктивного виконання механізму руху, що спрямовано на спрощення виготовлення, збирання, а також поліпшення експлуатації й обслуговування. Удосконалено: метод визначення необхідної кількості теплоти для підігріву стиснутого робочого тіла на вході у впускний ресивер роторно-поршневого двигуна за рахунок отриманої експериментальної залежності зміни падіння температури відпрацьованого повітря від обертів і тиску у впускному ресивері за умов забезпечення допустимого значення температури відпрацьованого робочого тіла на виході (встановлена мінімально допустима температура зберігання робочого тіла, за якої ще можлива робота двигуна без підігріву та яка складає 0…–5 оС); кінематику механізму руху роторно-поршневого двигуна об’ємної дії із шарнірно-кулачковим механізмом руху за рахунок визначення геометричного зв’язку між ходом поршня двигуна, довжиною ланки рухомого чотирикутника та кутом між ланками, що дозволило отримати залежності для визначення переміщення, швидкості й прискорення поршня залежно від кута повороту ротора. Базуючись на отриманих наукових результатах, сформульовано нові наукові положення. 1. Поєднання переваг організації робочого процесу ротаційних і поршневих двигунів шляхом застосування шарнірно-кулачкового механізму руху в роторно-поршневих двигунах об’ємної дії забезпечує регулювання процесу наповнення, збільшення повноти розширення робочого тіла, зменшення зворотного стиснення, а також відсутність мертвого об’єму, що сприяє підвищенню в 1,18…1,32 рази ефективності перетворення низькопотенційної енергії робочого тіла (витрата повітря на 1 кВт потужності) без попереднього його підігріву в порівнянні із серійними поршневими машинами об’ємної дії із золотниковим газорозподілом та кривошипно-шатунним механізмом руху. 2. Шарнірно-кулачковий механізм руху з відношенням ходу поршня до діаметра робочого циліндра менше одного дає змогу здійснювати два робочих цикли за один оберт ротора, регулювати ступінь наповнення, а також рівномірне розміщення циліндрів по всій довжині ротора в роторно-поршневих двигунах об’ємної дії, забезпечує компактність та знижує питому масу двигуна у 1,2…2,0 рази у порівнянні із серійними поршневими машинами об’ємної дії з кривошипно-шатунним механізмом руху. 3. Шарнірно-кулачковий механізм руху й система газорозподілу з можливістю регулювання ступеня наповнення робочого циліндра, що на ньому базується, забезпечують практично відсутність відносного мертвого об’єму (значення εо не перевищує 0,015 та обумовлене лише технологічними зазорами) й збільшують відношення пускового крутного моменту до номінального до 1,11 рази у порівнянні із серійними поршневими машинами об’ємної дії із золотниковим газорозподілом і кривошипно-шатунним механізмом руху. Наукове значення отриманих результатів полягає у розвитку основ та принципів перетворення низькопотенційної енергії стиснутого робочого тіла в механічну роботу за рахунок поєднання особливостей і переваг організації робочого процесу різних типів двигунів, що є теоретичною базою для реалізації концепції підвищення ефективності машин об’ємної дії. Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що розроблено: новий напрям у конструюванні та проектуванні двигунів об’ємної дії, технології виготовлення й збирання основних складальних вузлів та деталей роторно-поршневих двигунів із шарнірно-кулачковим механізмом руху; рекомендації щодо вибору необхідних матеріалів для виготовлення деталей роторно-поршневого двигуна, а також установлення необхідного зазору між сполучними парами з урахуванням робочої температури деталей; метод і програму проведення експериментальних досліджень експлуатаційних режимів та робочих процесів роторно-поршневих двигунів об’ємної дії із шарнірно-кулачковим механізмом руху; програму проведення стендових випробувань роторно-поршневих двигунів при серійному виробництві, а також послідовність і тривалість проведення обкатки та контрольних випробувань; рекомендації щодо розвитку теорії розрахунку робочого циклу машин об’ємної дії, що стосуються врахування особливостей кінематики шарнірно-кулачкового механізму руху; схемні й технічні рішення енергетичних установок на базі роторно-поршневих двигунів об’ємної дії із шарнірно-кулачковим механізмом руху. Упровадження результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи пройшли апробацію і були використані на машинобудівному підприємстві «Мотор-Плюс» (м. Миколаїв) при проектуванні та реалізації проектів енергетичних установок з роторно-поршневими двигунами об’ємної дії із шарнірно-кулачковим механізмом руху різного призначення згідно з вимогами замовника; на Машинобудівному підприємстві «МОТОРСЕРВІСПРОМ» (м. Миколаїв) при виконанні проектних робіт і оцінці енергетичних й економічних показників серії пневмодвигунів (12РПД 44/1,75; 20РПД 4,5/1,75; 20РПД 3,0/1,15); на підприємстві «ТЕПЛОМАШПРОГРЕС» (м. Миколаїв) при модернізації пневматичного приводу суднового крана з вантажопідйомністю до 1000 кг; при розробці проектної документації вібраційного живильника для випуску і доставки руди на підприємстві «БІЗНЕС-СЕРВІС-БЮРО» (Миколаївська обл.); на підприємстві «ШИПСЕРВІС» (м. Миколаїв) при розробці проекту та проведенні модернізації платформного електричного візка ЕТ-2054 (електрокар) вантажопідйомністю 2 т на пневматичний привід; у підготовці технічної документації з модернізації виробничого обладнання підприємствами «АВИАФИНСЕРВИС» (м. Миколаїв) і «Енерготехнологія» (Миколаївська обл.); у навчальному процесі кафедри ДВЗ У та ТЕ при підготовці бакалаврів і магістрів Національного університету кораблебудування ім. адм. Макарова в курсах лекцій, при проведенні практичних, індивідуальних та лабораторних занять з дисциплін «Двигуни нетрадиційних схем», «Суднові допоміжні механізми», а також при виконанні розрахункових завдань, у курсовому й дипломному проектуванні.uk_UA
dc.description.abstract1Oleksandr S. Mytrofanov. The efficiency of rotary-piston engines with hinge-cam motion conversion mechanism. – Qualifying scientific work as a manuscript. A thesis for the degree of Doctor of Technical Sciences in specialty 05.05.03 – Engines and Power Plants (Engineering). – Admiral Makarov National University of Shipbuilding, Ministry of Education and Science of Ukraine, Mykolaiv, 2021. The scientific and applied problem, which is solved in the thesis, is to increase the efficiency of using the energy potential of compressed working fluid by rational organization of the working process of potential energy converting into mechanical work, namely, ensuring the increase in the expansion completeness, reducing the reverse compression and gas-dynamic losses of the working fluid in the volumetric machines in power plants based on them. The need to reduce the energy costs of plants using the potential energy of the compressed working fluid determines the demand of practice aimed to increase the energy conversion efficiency by developing and introducing into industry new energy-efficient volumetric machines. In addition, the development of new engines will allow meeting the specific operational requirements of new modern applications, as well as ensuring the reduction in weight and dimensions, reliability and performance in all operating modes, regardless of operating conditions. According to the demand of the practice, the aim of the research of the thesis was determined and is to increase the efficiency of using low-potential energy of the compressed working fluid in volumetric machines when converting into mechanical work in power plants. The working scientific hypothesis of the scientific research is the statement that an increase in the efficiency of converting low-potential energy of the compressed working fluid into mechanical work in volumetric machines is achieved by combining the advantages of organizing the working process of rotary and piston engines (regulation of the beginning and duration of the filling process, increasing the completeness of the working fluid expansion, volume and gas-dynamic losses during gas exchange) by means of new design solutions (combination of reciprocating motion of the piston while simultaneously rotating with the rotor). To increase the efficiency of the process of converting the low-potential energy of the compressed working fluid during expansion in volumetric machines, it is proposed to use the idea of combining the motion constructions of the driving link of rotary (rotary motion) and piston (reciprocating motion) engines, which will ensure the advantages and organization features of working processes of two different types of engines. The object of the research is the processes of energy conversion in rotarypiston volumetric engines. The subject of the research is the parameters, characteristics and patterns of energy conversion processes that occur in rotary-piston volumetric engines. Research objectives 1. Analysis of processes, technical level, operating conditions, advantages and disadvantages of use, design features of volumetric and dynamic machines, that are mass-produced, as well as possible promising types in order to identify reserves and ways to improve their efficiency. 2. Creation of a physical model of the power plant subsystem for the use of the compressed working fluid and its elements on the basis of a prototype of a rotarypiston engine with hinge-cam motion mechanism, as well as development of a program for experimental research of processes in them and operating parameters. 3. Experimentally determining the regularities of changes in the energy and economic indicators of a rotary-piston engine with hinge-cam motion mechanism, as well as studying the influence of the operating parameters of the engine (speed and working pressure) on them and regulating the duration of the filling process. 4. Improvement of the mathematical model of the working cycle of volumetric machines, which implies taking into account the influence of the peculiarities of the combination of the advantages of organizing the working process of rotary and piston engines due to the design of the motion and gas exchange mechanism. 5. Revealing the patterns of mutual influence of structural (working cylinder diameter, piston stroke, relative dead volume), operating (rotations and working pressure) and regulating (degree of filling of the working cylinder) parameters on the performance indicators when converting low-potential energy of the compressed working fluid in the rotary-piston volumetric engines with hinge-cam motion mechanism. 6. Synthesis of new scientifically grounded scheme solutions of power plants for various purposes based on rotary-piston engines with hinge-cam motion mechanism and research of indicators of the efficiency of low-potential energy conversion of the compressed working fluid in engines, depending on the conditions of their operation. 7. Development of general principles for the construction and design of rotarypiston engines with hinge-cam motion mechanism, as well as relevant recommendations for bench and control tests and the duration of running-in. 8. Approbation and implementation of the results of scientific research on the effectiveness of rotary-piston engines with hinge-cam motion mechanism of power plants with volumetric machines. In the introduction, a general description of the thesis is presented, namely, the relevance of the scientific research is substantiated, the aim and the main tasks are formulated, the object and the subject are determined. The scientific novelty and practical value of the obtained research results are stated, as well as the personal contribution of the applicant, the data on the approbation of the results of work and publications on the topic of scientific research are given. The first section analyzes the design, the principle of operation and the scope of use of various types of serial volumetric and dynamic engines, which made it possible to highlight a number of operational advantages and disadvantages of their use in various fields of industry. The analysis of possible alternative volumetric machines and constructive conceptual solutions in them is carried out. The main advantages and disadvantages of these solutions connected with the operation and manufacturing technology are highlighted. A significant influence of the design and organization of the working process in engines on the efficiency of converting the potential energy of the compressed working fluid has been revealed. The prospects for the development of new energy-efficient volumetric machines for a complex solution of the scientific and applied problem of the efficiency of the energy resources use, which is an urgent and priority problem in the energy sector, have been determined. In the second section, a general methodology for conducting the thesis is developed, which is reflected in the form of a technological map of the scientific research. On the basis of the demand of practice, the aim of the thesis and its working hypothesis are determined, and the tasks of the thesis are also highlighted. The main methods and general research methodology of a prototype of the rotary-piston volumetric engine with hinge-cam motion mechanism are considered, which correspond to the objectives of the thesis and are generally accepted and made it possible to obtain the reliable and fairly accurate results. The means of achieving the stated aim of the scientific research are the theoretical and experimental research methods. In accordance with the objectives of the work, the tasks of the experimental study were formulated and the methods of this study were selected, which made it possible to check the adequacy of the mathematical model of the working cycle of the rotary-piston engine, as well as to experimentally establish the influence of the main parameters, operating modes and other factors on the efficiency of energy conversion of a compressed working fluid. The method of mathematical modeling was widely used in the work out of the theoretical research methods. The basic requirements for the mathematical model of the working cycle of the rotary-piston volumetric engine with hinge-cam motion mechanism are formulated. The third section describes the design of the prototype of the 12RPD 4.4/1.75 rotary-piston volumetric engine with hinge-cam motion mechanism, the methodology for conducting its research tests, the information about the experimental bench, the system for measuring and recording the obtained results. In addition, the section presents the main results of the experimental studies of the rotary-piston volumetric engine with hinge-cam motion mechanism and their analysis: study of the parameters of the working cycle; operating modes and features of operation and maintenance; determination of the influence of the operating cycle parameters on the energy and economic indicators of the engine. In the fourth section, the requirements are substantiated and the mathematical model of the working cycle of the rotary-piston volumetric engine with hinge-cam motion mechanism is developed, which takes into account the features of the engine kinematics, and, based on the obtained experimental data, the adequacy of the model is assessed. The research of the influence of design parameters of the rotary-piston volumetric engines with hinge-cam motion mechanism on the efficiency of converting the potential energy of the compressed working fluid in the working cylinder have been carried out. In the fifth section, the analysis and generalization of the results of studying the efficiency of using the rotary-piston volumetric engines with hinge-cam motion mechanism in existing and prospective power plants for various purposes is carried out. The comparison of the parameters of engines of various types with rotary-piston engines is given, as well as the efficiency and prospects of using new engines in comparison with the serial volumetric machines, are proved. The possibility of using the rotary-piston engines in transport power plants, gas transmission and gas distribution systems, power plants for the accumulation of excess electricity produced from renewable energy sources, power plants for the production and safe storage of hydrogen from hydrogen sulfide from the Black Sea, as well as power plants with an internal combustion engine as a utilizer of exhaust gases energy, has been researched. The sixth section presents the results of the implementation of the scientific research into the practice of designing and creating the rotary-piston volumetric engines with hinge-cam motion mechanism. The general principles of design and layout of elements of the rotary-piston engines for various purposes are given, the issues of the general layout of the engine and the air supply scheme, the design of the main units and parts, the choice of the motion mechanism scheme, as well as the sealing features are considered. Practical recommendations on the technology of manufacturing and assembling the main assembly units and parts are given. The implementation of the results of the scientific research of the rotary-piston volumetric engines with hinge-cam motion mechanism at industry facilities is presented. The scientific novelty of the obtained results lies in the fact that in order to increase the efficiency of use of low-potential energy of the compressed working fluid in the volumetric machines when converted into mechanical work in power plants: 1) for the first time, it was experimentally and theoretically proved that an increase in the completeness of expansion and a decrease in reverse compression and gas-dynamic losses of the low-potential working fluid are achieved by using the rotary-piston volumetric engines to convert the translational motion of the piston into the rotational motion of the rotor of the hinge-cam mechanism, as well as by adjusting the duration of the filling process, which, accordingly, allows to reduce the specific weight by 17...50 %, increase the ratio of starting torque to the nominal torque up to 11 %, and also reduce the specific consumption of the working fluid (energy) by 15...24 % compared to serial piston volumetric machines with sleeve valve gear, that use the crank mechanism as a motion one; 2) for the first time, it was determined and experimentally confirmed that a more effective approach to regulate the load of the rotary-piston engines with hingecam motion mechanism is to regulate the duration of the filling process (by changing the phases of gas exchange), an increase of which by 1.43...2.45 times provides an increase in effective power by 1.10...1.91 times, and the rational ratio of the given engine power, its operating pressure and the degree of filling (within 0.2...0.4) make it possible to improve the process of converting low-potential energy of the compressed working fluid into the mechanical work and ensure a decrease in the specific effective consumption of the working fluid up to 10.1 %; 3) for the first time, the influence of the duration of the filling process of the working cylinder on the value of the exhaust air pressure in the exhaust manifold of the rotary-piston engine with hinge-cam motion mechanism was experimentally determined and it was found that a decrease in the degree of filling by 1.43...2.45 times reduces the pressure of the exhaust air by 1.16...2.16 times, thereby reducing gas-dynamic losses at the outlet; 4) for the first time, it was experimentally determined that the organization of the gas exchange process (change in the beginning and the end of the inlet and outlet processes) due to the use of hinge-cam motion mechanism under conditions of a working pressure of 0.4...0.8 MPa provides a range of changes in the exhaust air pressure in the exhaust manifold of the rotary-piston engine at the level of 0.010…0.075 MPa, which does not exceed the permissible values and is significantly lower (0.105...0.120 MPa) for the volumetric machines; 5) for the first time, the range of the maximum drop in air temperature from the initial storage value to the final one at the outlet from the rotary-piston engine with hinge-cam motion mechanism for a working pressure of 0.4...0.8 MPa, which is 35...43 K, and the effect of engine speed on a decrease in the air temperature during throttling and expansion in the working cylinder were established (an increase in rotations by 2.35 times increases the temperature drop during throttling by 1.23 times, while the temperature change during expansion, depending on the speed, does not exceed 4.5%), which made it possible to evaluate the efficiency and performance of the engine in conditions of negative storage temperatures of the working fluid (–5...–20 °C); 6) for the first time for the rotary-piston volumetric engines with hinge-cam motion mechanism by the method of physical and mathematical modeling for various operating parameters (speed and working pressure), the influence of design parameters, such as the diameter of the working cylinder, piston stroke, relative dead volume (decrease in the ratio of the piston stroke to the diameter of the working cylinder by 1.5 times reduces the specific indicator flow of the working fluid to 60.8 % with a simultaneous slight decrease in engine power to 8.0%, and a decrease in the relative dead volume by 1,2.5 times reduces the specific indicator consumption of the working fluid up to 27.7 % and increases the engine power up to 28.2 %) to the work indicators change, when converting the potential energy of the compressed working fluid into mechanical work, was determined. The theoretical foundations of the design and construction of the rotary-piston volumetric engines with hinge-cam motion mechanism were further developed through the development of the general layout of the engine, the scheme for supplying the working fluid and the design of the main units and parts, as well as the choice of the sealing method and the design of the motion mechanism, which aims to simplify production, assembly, and improve operation and maintenance. Improved: the method for determining the required amount of heat for heating the compressed working fluid at the inlet to the inlet receiver of the rotary-piston engine due to the obtained experimental dependence of the change in the temperature drop of the exhaust air on the speed and pressure in the inlet receiver, provided that the permissible temperature of the exhaust working fluid at the outlet is ensured (the set minimum permissible storage temperature of the working fluid, at which the engine can still operate without heating is 0...–5 °C); the kinematics of the motion mechanism of the rotary-piston volumetric engine with hinge-cam motion mechanism by determining the geometric connection between the engine piston stroke, the length of the link of the movable quadrangle and the angle between the links, which made it possible to obtain dependencies for determining the movement, speed and acceleration of the piston depending on the angle of the rotor rotation. Based on the obtained scientific results, the new scientific arguments were formulated. 1. The combination of the advantages of organizing the working process of the rotary and piston engines through the use of the hinge-cam motion mechanism in the rotary-piston volumetric engines provides regulation of the filling process, increasing the completeness of the working fluid expansion, reducing the reverse compression, as well as the absence of dead volume, which enables increase in the efficiency of converting low-potential energy of the working fluid by 1.18...1.32 times (air consumption per 1 kW of power) without preheating it in comparison with the serial piston volumetric machines with sleeve valve and crank gear. 2. The hinge-cam motion mechanism with the ratio of the piston stroke to the diameter of the working cylinder less than one allows to complete two working cycles per one rotation of the rotor, to regulate the degree of filling, as well as the uniform arrangement of the cylinders along the entire length of the rotor in the rotary-piston volumetric engines, provides compactness and reduces the specific weight of the engine by 1.2...2.0 times in comparison with serial piston volumetric machines with crank gear. 3. The hinge-cam motion mechanism and the gas distribution system with the possibility of adjusting the degree of filling of the working cylinder, on which it is based, provide practically the absence of a relative dead volume (the value of εо does not exceed 0.015 and is only due to technological clearances) and increase the ratio of the starting torque to the nominal torque to 1.11 times in comparison with the serial piston volumetric machines with sleeve valve and crank gear. The scientific significance of the obtained results lies in the development of the foundations and principles of converting low-potential energy of the compressed working fluid into mechanical work by combining the features and advantages of organizing the working process of various types of engines, which is the theoretical basis for implementing the concept of increasing the efficiency of volumetric machines. The practical significance of the obtained results is that the following have been developed: a new direction in the construction and design of volumetric engines, manufacturing technology and assembly of the main assembly units and parts of the rotary-piston engines with hinge-cam motion mechanism; recommendations on the selection of the necessary materials for the manufacturing of parts of the rotary-piston engine, as well as the establishment of the required gap between the connecting pairs, taking into account the working temperature of the parts; method and program for experimental research of operating conditions and working processes of the rotary-piston volumetric engines with hinge-cam motion mechanism; program for bench tests of the rotary-piston engines during serial production, as well as the sequence and duration of running-in and control tests; recommendations for the development of the theory of calculating the working cycle of the volumetric machines, concerning the consideration of the peculiarities of the kinematics of the hinge-cam motion mechanism; schematic and technical solutions of power plants based on the rotary-piston volumetric engines with hinge-cam motion mechanism. Implementation of the thesis results. The results of the thesis received approval and were used at the “Motor-Plus” machine manufacturing enterprise (Mykolaiv) in the design and implementation of projects of power plants with the rotary-piston volumetric engines with hinge-cam motion mechanism for various purposes in accordance with the customer’s requirements; at the “MOTORSERVISPROM” machine manufacturing enterprise (Mykolaiv) when performing design work and assessing the energy and economic indicators of the series of air engines (12RPD 44/1.75; 20RPD 4.5/1.75; 20RPD 3.0/1.15); at the “TEPLOMASHPROGRES” enterprise (Mykolaiv) during the modernization of the pneumatic drive of thr ship crane with a lifting capacity of up to 1000 kg; in the development of design documentation for the vibrating feeder for release and delivery of ore at the “BUSINESS SERVICE-BURO” enterprise (Mykolaiv region); at the “SHIPSERVICE” enterprise (Mykolaiv) in the development of the project and modernization of the platform electric cart ET-2054 (electric car) with a lifting capacity of 2 tons per pneumatic drive; in the preparation of technical documentation for the modernization of production equipment by the “AVIAFINSERVICE” (Mykolaiv) and “Energotekhnologiya” (Mykolaiv region) enterprises; in the educational process of the Department of Internal combustion engines, plants and technical maintenance in the education of bachelors and masters of Admiral Makarov National University of Shipbuilding in lecture courses, during practical, individual and laboratory classes in the disciplines “Engines of unconventional schemes”, “Ship auxiliary mechanisms”, as well as when performing computational tasks, in course and diploma projects.uk_UA
dc.identifier.urihttps://eir.nuos.edu.ua/handle/123456789/4358
dc.language.isoukuk_UA
dc.relation.ispartofseries621.486uk_UA
dc.subjectроторно-поршневий двигун об’ємної діїuk_UA
dc.subjectшарнірно-кулачковий механізм рухуuk_UA
dc.subjectмеханізм газорозподілуuk_UA
dc.subjectстиснуте робоче тілоuk_UA
dc.subjectробочий процесuk_UA
dc.subject05.05.03 "Двигуни та енергетичні установки"uk_UA
dc.subjectrotary-piston volumetric engineuk_UA
dc.subjecthinge-cam motion mechanismuk_UA
dc.subjectgas distribution mechanismuk_UA
dc.subjectcompressed working fluiduk_UA
dc.subjectworking processuk_UA
dc.titleЕфективність роторно-поршневих двигунів із шарнірно-кулачковим механізмом перетворення рухуuk_UA
dc.title1The efficiency of rotary-piston engines with hinge-cam motion conversion mechanismuk_UA
dc.title22021
dc.typeOtheruk_UA

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
diss. Mytrofanov.pdf
Розмір:
17.23 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
дисертація
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
7.05 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації