РОТОРНО-ЛОПАСТНОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК F01C1/00 F04C2/00 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при создании роторно-лопастных двигателей высокой энергоемкости, а также роторно-лопастных насосов, компрессоров и гидроприводов.

Из патентной литературы известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с кольцевой рабочей камерой с окнами впуска и выпуска рабочей среды, закрытой торцевыми крышками, имеющий форму прямого цилиндра, центральный вал, расположенный по оси камеры с возможностью вращения в торцевых крышках, рабочие органы в виде частей камеры, отсеченных радиальными плоскостями, параллельными оси камеры и пересекающими ее, размещенные внутри камеры, жестко укрепленные попарно-симметрично на валах, соосно установленных на центральном валу с возможностью вращения на нем независимо один от другого, и механизм периодического изменения скоростей вращения валов рабочих органов, состоящий из двух самостоятельных частей, установленных в противофазах на торцевых крышках снаружи рабочей камеры и содержащих по дополнительному валу и по две пары эллиптических шестерен. (FR N 1305903, кл. F 02 B, 1962).

Однако механизм периодического изменения скоростей вращения валов, содержащий эллиптические шестерни и дополнительные валы, существенно снижает КПД устройства, усложняет конструкцию, снижает технологичность механизма из-за необходимости применения эллиптических шестерен и исключает возможность изменения степени вытеснения в процессе работы. Также известен поршневой насос с переменной подачей, у которого механизм периодического изменения скорости вращения валов выполнен в виде двух водил, установленных в плоскостях, перпендикулярных центральному валу, соответственно жестко закрепленных на валу рабочего органа и на центральном валу, свободный конец каждого из которых посредством промежуточной тяги шарнирно соединен с промежуточным эксцентриковым кольцом, причем эксцентриковое кольцо установлено эксцентрично относительно центрального вала с возможностью изменения величины эксцентриситета (US N 2426631, кл. 418-18, 1947).

Указанный насос имеет настолько сложную конструкцию, что практически исключает возможность его широкого применения по причинам сложности изготовления, обслуживания и вследствие этого, низкой надежности. Указанные причины обусловлены тем, что кольцевая камера (вращающаяся) выполнена внутри одного вала-ротора с внутренними секторообразными выступами, образующими раздельные рабочие камеры переменного объема совместно с располагающимися между ними внешними секторообразными выступами второго ротора вала, а впуск-выпуск рабочей среды осуществляется через продольные и поперечные каналы центрального вала. Причем все механизмы размещены внутри эксцентрикового кольца, являющегося внутренним корпусом и установленным внутри внешнего корпуса, закрытого торцевыми крышками.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности и простоте конструкции является роторно-поршневой двигатель, содержащий корпус с всасывающими и выхлопными окнами, в котором выполнена поршневая камера, оснащенная двумя роторными поршнями, совершающими неравномерные вращения и образующими камеры сгорания переменного объема, свечу зажигания, приводной элемент с валом, соединенным с другим устройством, который изменяет и передает вращение первого поршня, содержащее ведущий и ведомый кулачки и два толкателя, третье устройство, расположенное в блоке для синхронизации действия первого и второго устройств (US, N 4194871, F 01 C 1/00, 1980).

Однако указанный двигатель имеет следующие существенные недостатки: его механизм конструктивно сложен, содержит несколько взаимодополняющих устройств, наличие кулачков и толкателей обуславливают неизбежные зазоры и люфты, снижающие надежность и долговечность двигателя, четкость работы его элементов, и исключает возможность изменения степени сжатия, а значит сужает его функциональные возможности.

Целью изобретения является создание роторно-лопастного двигателя с простым и надежным в работе механизмом периодического плавного изменения скорости вращения роторов при равномерном вращении центрального вала и сохранением возможности изменения степени сжатия-вытеснения как произвольно, так и автоматически, а значит и с возможностью применения в двигателе различных видов топлива.

Это достигается тем, что роторно-лопастной двигатель содержит корпус с всасывающим и выхлопным окнами, торцевую крышку, центральный вал, два лопастных ротора, валы которых установлены на центральном валу соосно с ним и с возможностью вращения, независимо от него и одного от другого, концы которых совместно с одним из концов центрального вала пропущены наружу сквозь торцевую крышку, жестко закрепленный на наружном конце центрального вала маховик, свечу зажигания и механизм периодического изменения скорости вращения роторов, выполненный с возможностью плавного периодического изменения скоростей их вращения с взаимопротивоположными знаками ускорения, для чего указанный механизм содержит полуось, установленную на эксцентриковом элементе с наружной стороны крышки параллельно центральному валу с возможностью ее перемещения по эксцентричной окружности, например, посредством ее закрепления на эксцентриковом кольце, установленном эксцентрично относительно центрального вала с возможностью его вращения вокруг своей оси на опорных подшипниковых элементах, укрепленных с внешней стороны торцевой крышки, два водила, жестко закрепленные по одному на наружных концах валков каждого из роторов с возможностью вращения в плоскостях, перпендикулярных центральному валу, причем указанные водила размещены вдоль радиусов, симметрично расположенных по разные стороны от указанной полуоси, свободный конец каждого из водил шарнирно связан с полуосью посредством промежуточной тяги, а на наружном конце центрального вала жестко закреплено еще одно водило с радиальным пазом, в который пропущена указанная полуось с возможностью ее перемещения вдоль указанного паза. Это водило может быть выполнено с возможностью исполнения функции маховика в виде массивного диска с аналогичным радиальным пазом. Эксцентриковый элемент, например, эксцентриковое кольцо, на котором закреплена полуось, может быть установлено на крышке с возможностью изменения его эксцентриситета, например, посредством ползуна с жестко закрепленным на нем полуосями опорных подшипниковых элементов. На корпусе двигателя может быть выполнена вторая пара всасывающего и выпускного окон, заглушенных при работе в режиме четырехтактного двигателя и разглушенных в режиме работы насоса, компрессора и гидропривода.

Кроме того, двигатель может быть снабжен системой форкамерного розжига сжатой топливно-воздушной смеси, выполненной, например, в виде патрубка, установленного снаружи корпуса, или канала, выполненного в теле корпуса с возможностью кратковременного впуска горячей смеси из зоны вытеснения перед началом выхлопа в зону сжатой смеси в момент начала ее зажигания.

На фиг.1 изображена примерная конструкция основных элементов двигателя; на фиг. 2 и 3 соответственно поперечный и продольный разрезы двигателя; на фиг. 4-6 схема работы механизма периодического изменения скоростей вращения роторов, положение водил и дополнительных тяг при различных местоположениях полуоси при ее перемещении по эксцентричной относительно центрального вала окружности.

Двигатель содержит полый цилиндрический корпус 1 с всасывающим 2 и выхлопным 3 окном, закрытый торцевой крышкой 4, внутри которого помещены установленные на центральном валу 5 с возможностью вращения независимо от центрального вала и одного от другого два ротора 6 и 7 с парными, расположенными диаметрально противоположно лопастям 8 и 9, имеющими секторообразное поперечное сечение, посредством которых полость внутри цилиндрического корпуса разделена на четыре рабочие камеры 10-13, переменного объема, причем валы 14 и 15 роторов и центральный вал расположены коаксиально, а их концы с одной стороны пропущены из корпуса наружу через центральное отверстие в крышке с возможностью вращения в нем. По наружному торцу крышки эксцентрично относительно центрального вала с возможностью вращения вокруг своей оси установлен эксцентриковый элемент, например, эксцентриковое кольцо 16 на опорных подшипниковых элементах 17, на котором параллельно центральному валу закреплена полуось 18 с возможностью ее перемещения по эксцентричной окружности, причем полуоси 19-21 опорных подшипниковых элементов закреплены, например, на ползуне 22, установленном на крышке с возможностью изменения величины эксцентриситета эксцентрикового элемента. На наружных концах всех трех валов укреплено по одному водилу 23-25, ориентированных вдоль радиусов с возможностью вращения совместно с соответствующим валом. Свободные концы всех трех водил кинематически связаны с общей для них всех полуосью 18, причем водила 23 и 24, укрепленные соответственно на валах роторов, расположены симметрично вдоль радиусов по разные стороны от полуоси и шарнирно связаны с ней посредством промежуточных тяг 26 и 27, а водило 25,укрепленное на центральном валу, кинематически связано с этой же полуосью посредством радиального паза 28, выполненного на указанном водиле, через который пропущена с возможностью перемещения вдоль паза указанная полуось. Указанное водило может быть выполнено в виде диска-маховика 29 с аналогичным радиальным пазом.

На корпусе могут быть выполнены дополнительные всасывающее окно 30 и выпускное окно 31, заглушенные заглушками 32, которые при необходимости могут быть сняты, а также устройство для кратковременного сообщения между собой в определенные моменты зоны сжатия и зоны вытеснения, выполненное, например, в виде патрубка 33, установленного снаружи корпуса или в виде канала, выполненного в теле корпуса, с выходом к месту расположения свечи зажигания 34.

Двигатель в четырехтактном режиме работает следующим образом.

Вращение роторов 6 и 7 с периодически переменной скоростью осуществляется за счет работы механизма периодического изменения их скоростей. Поскольку полуось 18, ведомая водилом 25, перемещается совместно с эксцентриковым элементом по концентрической относительно центрального вала 5 окружности параллельно указанному валу, она в течение одного оборота то приближается к валу, то отдаляется от него. При этом промежуточные тяги 26 и 27 при крайних положениях полуоси 18 располагаются относительно друг друга под острым углом симметрично по разные стороны полуоси, максимально сближая друг с другом водила 23 и 24 роторов, причем вершина указанного угла в одном из положений обращена в сторону вала, в другом в противоположную сторону, а значит, в течение одного оборота тяги 26 и 27 дважды проходят в положение угла между ними, равному 180^о, максимально раздвигая водила 23 и 24, за счет чего роторы вращаются с переменными ускорениями, противоположными по знакам, и значит, лопасти 8 и 9 роторов не только вращаются, но и поочередно то сближаются друг с другом, то раздвигаются относительно друг друга, увеличивая в течение одной четверти оборота объем рабочей камеры, образованной между ними, и уменьшая этот объем течение последующей четверти оборота. Так как уменьшение или увеличение объема рабочей камеры всегда точно происходит в одном и том же участке, равной одной четверти всего объема корпуса, весь его объем условно разделен на постоянно находящиеся в одних и тех же соответствующих местах корпуса четыре зоны последовательно расположенных одна за другой: зону всасывания (впуска), зону сжатия, зону расширения (рабочего хода) и зону выхлопа (вытеснения). В зоне впуска за счет перемещения лопасти 9 открывается всасывающее окно 2, и в рабочую камеру (на фиг.2 поз. 10) всасывается рабочая смесь, поскольку именно в этот момент происходит увеличение объема указанной камеры. И далее последовательно в указанной камере при ее прохождении через следующие зоны происходят сжатие рабочей среды, ее воспламенение при прохождении камеры против свечи зажигания 34, расширение газов вследствие горения смеси и вследствие воздействия высокого давления на лопасти камеры, которые в этот момент раздвигаются, а через механизм периодического изменения скоростей роторов, силовой импульс передается на центральный вал, совершается такт рабочего хода двигателя и, наконец, выпуск отработанных газов через выхлопное окно, которое в этот момент оказывается не перекрытым лопастью 9. Поскольку рабочих камер четыре и каждая из них в течение оборота проходит через все зоны, то тактов рабочего хода в течение одного оборота роторов совершается четыре.

Указанное обстоятельство способствует увеличению мощности двигателя вдвое по сравнению с четырехтактным двигателем с кривошипно-шатунным механизмом, поскольку в последнем четырехтактный цикл в одном цилиндре совершается в течение двух оборотов коленвала, обеспечивает более равномерное вращение центрального вала, уменьшает вибрацию двигателя. По сравнению с избранным прототипом работа двигателя отличается тем, что изменение скорости вращения роторов происходит не рывками, с полной поочередной остановкой того или иного ротора, а с плавным изменением ускорений их вращения, причем с взаимопротивоположными знаками, за счет чего взаимно компенсируются переменные нагрузки, и без полной остановки роторов.

Путем простейшего устройства, выполненного в виде, например, патрубка 33, установленного снаружи корпуса, возможно осуществление форкамерного розжига сжатой рабочей смеси путем кратковременного впуска в камеру с подготовленной рабочей смесью горячих газов из предыдущей рабочей камеры, вследствие чего повышается надежность работы двигателя, а свечу зажигания после запуска можно отключить от источника электропитания. Если же эксцентриковый элемент установить с возможностью изменения его эксцентриситета, например, посредством ползуна 22, то тем самым возможно простейшим образом изменять степень сжатия в рабочих камерах как произвольно, так и автоматически, а значит двигатель может работать на различных видах горючего: на водородном топливе, бензине, дизельном топливе и др. или с автоматическим переходом работы двигателя с одного вида топлива на другой. При этом форкамерный розжиг обеспечит надежное воспламенение трудновоспламеняемых смесей.

Конструкция двигателя допускает его применение и в качестве насоса, компрессора или гидропривода, т.к. механизм периодического изменения скоростей вращения роторов кинематически обратим, возможность изменения степени сжатия позволяет работать ему в качестве насоса на различных по вязкости средах, а в качестве гидропривода с бесступенчатым изменением скорости вращения центрального вала. Для обеспечения указанного применения на корпусе должны быть выполнены дополнительные всасывающее (впускное) 32 окно и выхлопное (выпускное) окно 31, заглушенные при работе устройства в качестве четырехтактного двигателя, расположенные соответственно в зонах сжатия и расширения.

Использование: в машиностроении при создании роторно-лопастных двигателей. Сущность изобретения: роторно-лопастной двигатель содержит корпус с всасывающим и выхлопным окнами, торцевую крышку, центральный вал и два лопастных ротора, валы которых установлены на центральном валу соосно с ним и с возможностью независимого вращения от него и один от другого, жестко закрепленный вне корпуса на наружном конце центрального вала маховик, свечу зажигания, и механизм периодического изменения скоростей вращения роторов, который содержит полуось, установленную на эксцентриковом элементе с наружной стороны торцевой крышки параллельно центральному валу с возможностью ее перемещения по эксцентричной относительно центрального вала окружности, посредством ее закрепления на эксцентриковом кольце, установленном эксцентрично центральному валу с возможностью его вращения вокруг своей оси на опорных подшипниковых элементах, которые укреплены с внешней стороны торцевой крышки. Два водила жестко закреплены по одному на наружных концов вала каждого ротора, причем водила размещены вдоль радиусов, симметрично расположенных по разные стороны от указанной полуоси, а свободный конец каждого из водил шарнирно связан с ней посредством тяги. На наружном конце центрального вала жестко закреплено третье водило, сквозь радиальный паз которого проходит указанная полуось с возможностью ее перемещения вдоль указанного паза. 4 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. РОТОРНО-ЛОПАСТНОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий полый цилиндрический корпус с всасывающим и выхлопным окнам, торцовые крышки, центральный выходной вал, два лопастных ротора, валы которых соосны с центральным валом и установлены в корпусе с возможностью независимого вращения от него и один от другого, концы валов роторов совместно с одним из концов центрального выходного вала выходят наружу сквозь торцовую крышку, свечу зажигания и механизм периодического изменения скоростей и синхронизации вращения роторов, отличающийся тем, что механизм периодического изменения скоростей вращения роторов выполнен в виде полуоси, установленной на эксцентриковом элементе с наружной стороны торцовой крышки параллельно центральному валу с возможностью ее перемещения по эксцентричной относительно центрального вала окружности, посредством ее закрепления на эксцентриковом кольце, установленном эксцентрично относительно центрального вала с возможностью его вращения вокруг своей оси на опорных подшипниковых элементах, размещенных с внешней стороны торцевой крышки, и двух водил, жестко закрепленных по одному на наружных концах вала каждого ротора, причем водила размещены вдоль радиусов, симметрично расположенных по разные стороны от указанной полуоси, а свободный конец каждого из водил шарнирно связан с ней посредством тяги и жестко закрепленного на наружном конце центрального вала третьего водила, сквозь радиальный паз которого проходит указанная полуось с возможностью ее перемещения вдоль указанного паза. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что третье водило выполнено в виде маховика с радиальным пазом. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что эксцентриковое кольцо, на котором закреплена полуось, установлено на торцевой крышке с возможностью изменения его эксцентриситета посредством ползуна с жестко закрепленными на нем полуосями опорных подшипниковых элементов. 4. Двигатель по п.1 - 3, отличающийся тем, что в корпусе выполнены дополнительные окна впуска и выпуска. 5. Двигатель по п.1 - 3, отличающийся тем, что двигатель снабжен устройством форкамерного зажигания сжатой топливо-воздушной смеси, выполненным в виде патрубка, установленного снаружи корпуса или канала, выполненного в теле корпуса.