ОБЪЕМНАЯ РОТОРНАЯ МАШИНА Российский патент 1995 года по МПК F01C3/00 F04C3/00 

Изобретение относится к машиностроению, к двигателе-, компрессоро- и гидромашиностроению.

Известна объемная роторная машина, содержащая корпус с установленным в нем ротором, сопряженные по двум поверхностям с образованием рабочей камеры с размещенными в ней впускными и выпускными окнами, поршнем и затвором, при этом поршень жестко связан с наружной поверхностью ротора и расположен на последнем под углом к валу ротора, соответствующем углам поршневого прохода, выполненного в затворе, который установлен на оси с возможностью вращения и взаимодействия с ротором, выполненным в виде диска.

Недостатком данного технического решения является то, что сумма всех допусков в сочленениях элементов внешнего привода синхронизации затвора, по меньшей мере четырех, и упругой деформации этих элементов должна быть меньше допуска герметичного совмещения лопатки и поршневого прохода, что представляется крайне сложной задачей обеспечение работоспособности прототипа. Другим недостатком является то, что не используется внутренний объем ротора в качестве центробежного нагнетателя для принудительного заполнения кольцевой рабочей камеры и для уменьшения сопротивления при ее заполнении и вытеснении из нее рабочего тела. Решение двигателя внутреннего сгорания на основе прототипа не аналогично предложенному.

Изобретение направлено на решение задачи упрощения конструкции известного технического решения путем замены внешнего привода синхронизации затвора на шлицевую нарезку на взаимодействующих поверхностях ротора и затвора и на создание на его основе двигателя внутреннего сгорания.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение надежности за счет упрощения конструкции путем замены особо точного внешнего привода синхронизации затвора на шлицевую нарезку на взаимодействующих поверхностях ротора и затвора. Использование изобретения в качестве двигателя внутреннего сгорания позволяет получить высокий КПД за счет перепускного окна в затворе, обеспечивающем предварительное сжатие рабочего тела, пропуск его в камеру сгорания, а затем совершение работы до его более полного расширения в рабочей камере другого ротора. Техническим результатом является также высокая удельная мощность за счет контактности и величины рабочего хода, который соответствует почти полному обороту ротора, как и использование внутреннего объема ротора в качестве центробежного нагнетателя, что соответствует наддуву в обычных двигателях.

Указанный технический результат достигается за счет того, что кинематическая связь ротора с дисковым затвором объемной роторной машины выполнена в виде шлицевой нарезки, расположенной на взаимодействующих поверхностях ротора и затвора, а также тем, что при работе в качестве двигателя внутреннего сгорания она снабжена дополнительным корпусом и ротором, закрепленным на валу первого ротора с возможностью взаимодействия с общим дисковым затвором, при этом корпуса соединены между собой посредством полой перемычки с образованием в ней камеры сгорания, сообщенной с перепускным окном, выполненным в затворе на высоте от его кромки, превышающей высоту лопатки, причем один из роторов выполнен пустотелым и сообщен соответственно посредством осевого канала, выполненного в валу с атмосферой, а через окно в роторе, примыкающее к лопатке с соседней рабочей камерой, выпускное окно которой выполнено в зоне совмещения с перепускным окном в затворе, а объем первой рабочей камеры превышает объем соседней.

Предложенная объемная роторная машина отличается от прототипа тем, что кинематическая связь ротора с дисковым затвором выполнена в виде шлицевой нарезки, расположенной на взаимодействующим поверхностях ротора и затвора, а решение двигателя внутреннего сгорания на основе прототипа не аналогично предложенному решению.

Кинематическая связь ротора с дисковым затвором, выполненная в виде шлицевой нарезки, расположенной на взаимодействующих поверхностях ротора и затвора, позволяет упростить конструкцию и повысить надежность объемной роторной машины за счет замены кинематической связи, требующей трудновыполнимой точности синхронизации ротора с затвором на непосредственную взаимосвязь.

Использование изобретения в качестве двигателя внутреннего сгорания, при котором дополнительный корпус и ротор, закрепленный на валу первого ротора с возможностью взаимодействия с общим дисковым затвором позволяют существенно повысить эффективность двигателя за счет разделения функций роторов так, что горячая камера одного ротора не влияет на заполнение и сжатие в другой камере, а затвору обеспечить последовательный пропуск лопаток сквозь поршневой проход. Корпуса, соединенные между собой посредством полой перемычки с образованием в ней камеры сгорания, сообщенной с перепускным окном, выполненным в затворе, позволяют обеспечить совмещение конца такта сжатия в одном роторе с началом рабочего хода в другом роторе через камеру сгорания. Перепускное окно, выполненное в затворе на высоте от его кромки, превышающей высоту лопатки, позволяет обеспечить герметичное перекрытие рабочей поверхностью затвора сечения рабочих камер и при этом синхронно взаимодействовать с камерой сгорания. Один из роторов, выполненный пустотелым и сообщенный посредством осевого канала, выполненного в валу с атмосферой, а через окно в роторе, примыкающее к лопатке с соседней рабочей камерой, позволяет использовать пустотельный ротор в качестве центробежного нагнетателя для принудительного заполнения соседней рабочей камеры рабочим телом. Выпускное окно, выполненное в зоне совмещения с перепускным окном, позволяет обеспечить предварительное сжатие рабочего тела до момента совмещения перепускного окна с выпускным окном и камерой сгорания. Превышение объема первой рабочей камеры над соседней позволяет рабочему телу совершать работу до его более полного расширения, тем самым повышая КПД двигателя.

На фиг.1 изображена объемная роторная машина, поперечный разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 разрез В-В на фиг.1; на фиг.4 объемная роторная машина, используемая в качестве двигателя внутреннего сгорания, поперечный разрез; на фиг.5 то же, продольный разрез, (нагнетатель); на фиг.6 то же, вид сверху.

Объемная роторная машина содержит корпус 1 с кольцевой рабочей камерой 2, и впускными и выпускными окнами 3 и 4, между которыми установлен затвор 5 в корпусе 6 на оси 7. В затворе 5 выполнен проход 8. Лопатка 9 расположена в кольцевой рабочей камере 2. Лопатка 9 расположена в кольцевой рабочей камере 2, жестко связана с ротором 10, в котором по обе стороны от лопатки 9 выполнены впускные окна 11 и 12, связанные с внутрироторными полостями 13 и 14 в корпусе 1. На поверхности сопряжения ротора 10 с затвором 5 выполнена шлицевая нарезка привода синхронизации затвора 5. Ротор 10 жестко закреплен на валу 15.

На базе объемной роторной машины может быть выполнен роторный двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой жестко закрепленные на одном валу 16 два ротора 17 и 18, корпуса 19 и 20 которых связаны между собой полой перемычкой, выполняющей роль камеры сгорания 21, сопряженной с корпусом 19 нагнетателя в зоне совмещения перепускного окна 22, выполненного в затворе 23 на высоте от его кромки, соответствующей высоте лопатки 24, и уплотняющей кромки корпуса 19 нагнетателя. Длина перепускного окна 22 обусловлена процессом начала рабочего хода в корпусе 20 движителя и концом сжатия в корпусе 19 нагнетателя, причем один из роторов 18, используемый в качестве движителя имеет объем рабочей камеры 25, превышающий рабочий объем камеры 26 другого ротора, используемого в качестве нагнетателя. Ротор нагнетателя выполнен пустотелым. Внутренний объем 27 ротора через окно 28 в полом валу 16 связан с атмосферой, а через окно 29 в роторе, примыкающем к лопатке 24, связан с рабочей камерой 26 нагнетателя. Выпускным окном для камеры 26 служит перепускное окно 22 в затворе 23. В затворе 23 выполнен проход 30. Затвор 23 установлен на оси 31 в корпусе 32. Внутри камера сгорания покрыта катализатором. В камере сгорания 21 установлена спираль 33 и клемма 34 для подвода тока. Кольцевые уплотнения 35 и 36 рабочих камер 25 и 26 установлены в местах сопряжения роторов с их корпусами. Лопатка 37 жестко связана с ротором 18 движителя, в корпусе которого перед затвором выполнено выпускное окно 38.

Объемная роторная машина работает следующим образом, при подаче рабочего тела под давлением в окно 3 через полость 13 в роторе 10, в окно 11, давление действует на объем, образуемый лопаткой 9, затвором 6 и корпусом 1, а так как по другую сторону от затвора 5 и лопатки давление атмосферное, то лопатка 9, жестко связанная с ротором, начинает движение вместе с затвором 5, синхронно связанным с ротором 10 через шлицевую нарезку. Завершая первый оборот проход 8 в затворе 5 совмещается с передним краем лопатки 9, которая входит в него и перекрывает впускное окно 3 по другую сторону затвора, при этом выпускное окно 1 в роторе выходит из-под затвора, а впускное окно 11 в роторе не вошло полностью под затвор, и давление через это окно действует на еще не вошедшую площадь лопатки в проход, и лишь перед самым проходом второго края лопатки 9 мимо выпускного окна 4, когда большая часть площади лопатки-поршня 9 прошла сквозь поршневой проход 8, впускное окно 11 в роторе полностью заходит под затвор 5. Лопатка 9 выходит из прохода 8 и цикл повторяется. Объемная роторная машина реверсивна и в качестве нагнетателя работает аналогично.

Роторный двигатель внутреннего сгорания, выполненный на базе объемной роторной машины работает следующим образом. При запуске двигателя и вращении ротора 17 нагнетателя, лопатка 24 жестко связанная с ротором 17 синхронно совмещается с проходом 30 в затворе 23 и, выходя из него с другой стороны затвора 23, совместно с корпусом 19, затвором 23 и ротором 17, образует замкнутый объем в виде трехгранной призмы, который по мере вращения ротора 17 увеличивается и в нем появляется разрежение. Тогда через окно 29 из объема 27 преднагнетателя ротора 17, который, в свою очередь, заполняется через впускное окно 28, поступает рабочее тело, заполняющее образуемый лопаткой 24 объем. Совершив полный оборот в рабочей камере 26, лопатка 4 вторично проходит сквозь поршневой проход 30 в затворе 23 и сжимает рабочее тело в рабочей камере 26. В это время лопатка 37 движителя выходит из поршневого прохода 30 и образует объем в виде трехгранной призмы, соединенной с камерой сгорания 21. Одновременно перепускное окно 22 в затворе 23, совершающем синхронное с роторами 17 и 18 движение, совмещается со сжатым объемом рабочей камеры 26 и камерой сгорания 21, куда и устремляется рабочее тело, где происходит воспламенение первоначально от спирали 33, затем возможно самовоспламенение от нагретой внутренней каталитической поверхности камеры сгорания 21. Возросшее таким образом давление в образовавшемся сквозном канале между лопатками 24 и 37 будет ускорять ротор 18, так как его лопатка 37 больше по площади, чем лопатка 24 нагнетателя, то на нее будет действовать большая сила. Далее лопатка 24 проходит сквозь поршневой проход 30, а перепускное окно 22 в затворе перекрывается. Лопатка 37 совершает рабочий ход, затем вторично проходит сквозь поршневой проход и вытесняет продукты сгорания через выпускное окно 38 в корпусе 20. Двигатель однотактный. Все 4 такта протекают одновременно.

Объемная роторная машина в качестве движителя может использоваться для привода всевозможных исполнительных органов, в том числе в ступицах колес транспортного средства, при этом обеспечить независимый привод и такой крутящий момент на каждое колесо, какой необходим его сцеплению с дорожным покрытием, обеспечить эффективное торможение и разгон при этом он реверсивен и столь же эффективный при работе в качестве нагнетателя, две ступени которого могут заменить четырехступенчатую коробку передач гидравлической трансмиссии.

Использование: в двигателе-, компрессоро- и гидромашиностроению. Сущность изобретения: ротор с жестко закрепленной на его наружной поверхности лопаткой и дисковый затвор с пазами размещены в корпусе с сопряжением и образованием кольцевой рабочей камеры. Лопатка расположена под углом к оси затвора с возможностью свободного прохода в его пазах. Затвор установлен на оси и кинематически связан с ротором. Связь выполнена в виде шлицевой нарезки, расположенной на взаимодействующих между собой поверхностях ротора и затвора. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. ОБЪЕМНАЯ РОТОРНАЯ МАШИНА, содержащая корпус с впускными и выпускными окнами, ротор с жестко закрепленной на его наружной поверхности лопаткой и дисковый затвор с пазами, размещенные в корпусе с сопряжением и образованием кольцевой рабочей камеры, при этом лопатка расположена под углом к оси затвора с возможностью свободного прохода в его пазах, а дисковый затвор установлен на оси и кинематически связан с ротором, отличающаяся тем, что кинематическая связь ротора с дисковым затвором выполнена в виде шлицевой нарезки, расположенной на взаимодействующих между собой поверхностях ротора и затвора. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что при работе в качестве двигателя внутреннего сгорания она снабжена дополнительными корпусом и ротором, закрепленным на валу первого ротора с возможностью взаимодействия с общим дисковым затвором, корпусы соединены между собой посредством полой перемычки с образованием в ней камеры сгорания, сообщенной с перепускным окном, выполненным в затворе на высоте от его кромки, превышающей высоту лопатки, причем один из роторов выполнен пустотелым и сообщен соответственно посредством осевого канала, выполненного в валу, с атмосферой, а через окно в роторе, примыкающее к лопатке, с соседней рабочей камерой, выпускное окно которой выполнено в зоне совмещения с перепускным окном в затворе, а объем первой рабочей камеры превышает объем соседней.