ОБЪЕМНАЯ РОТОРНАЯ МАШИНА Российский патент 1997 года по МПК F01C3/00 

Изобретение относится к области двигателе-компрессоро- и гидромашиностроению. Изобретение направлено на решение задачи создания высокоактивных, компактных насосов, компрессоров, бесступенчатых гидро- и гидромеханических трансмиссий, а также экономичных с высокой удельной мощностью и ресурсом двигателей внутреннего сгорания.

Из патентной литературы известна объемная роторная машина содержащая корпус с выполненной на его внутренней поверхности диагонально расположенной канавкой, с установленным в ней диском, с примыкающими к диску и к обоим сторонам корпуса конусами, вершины которых примыкают к сферической центральной части, с образованием первого и второго объемов, разделенных диском, в котором между сферической центральной частью и внутренней поверхностью корпуса установлена по меньшей мере одна лопатка в поворотном соединении, жестко связанная с конусами, в которых примыкающие к лопатке выполнены впускные и выпускные окна (см. GB, заявку 1426162, кл. F 01 C 3/06, 1976 г.).

Техническим результатом от использования изобретения являются низкие механические потери, высокая производительность и давление, за счет совершения работы в основном элементами качения, их высоких оборотов и прочности, а также переменности вытесняемого объема, за счет перемены соотношения перепускаемого объема между камерами к вытесняемому объему в выпускные окна. Бесступенчатые трансмиссии с независимым приводом всех колес на транспортном средстве, включая прицепы, с возможностью рекуперации энергии в них при торможении за счет машины с переменным объемом вытеснения, используемой в качестве гидродвигателя в ступицах колес. В качестве двигателя внутреннего сгорания техническим результатом является высокая экономичность за счет переменного объема сжатия с высокой степенью в одном объеме и совершения работы до практически полного расширения рабочего тела в другом большем объеме. Высокая удельная мощность, за счет двух рабочих ходов на один оборот, за счет высоких оборотов, достигаемых высокой сбалансированностью ротора, не хуже чем у турбин, и низкими механическими потерями.

Указанный технический результат достигается тем, что объемная роторная машина содержит корпус с выполненной на его рабочей поверхности диагонально расположенной канавкой, с установленным в ней диском, с примыкающими к диску и к обеим сторонам корпуса конусами, вершины которых примыкают к сферической центральной части, с образованием первого и второго объемов, разделенных диском, в котором между сферической центральной частью и внутренней поверхностью корпуса установлена по меньшей мере одна лопатка в поворотном соединении жестко связанная с конусами, в которых примыкающие к лопатке выполнены впускные и выпускные окна, при этом сферическая центральная часть выполнена в форме шаровой опоры, жестко закрепленной в центральной части диска и сопряженной с выемками в конусах.

Технический результат так же достигается тем, что внутри шаровой опоры выполнена шаровая камера с возможностью совместного вращения шаровой опоры в плоскости диска, а шаровой камеры в плоскости конусов, причем окна в шаровой опоре и в шаровой камере выполнены в зоне их совмещения.

Технический результат также достигается тем, что в шаровой опоре примыкающие к диску и к обеим сторонам лопатки выполнены перепускные окна с возможностью совмещения с треугольной выемкой, выполненной на внешней поверхности шаровой камеры, наибольшая ширина которой соответствует амплитуде возвратно-поступательных движений шаровой опоры, с возможностью взаимодействия сторон треугольной выемки с перепускными окнами по меньшей мере камер одного объема, и с возможностью поворота шаровой камеры, сопряженной с центральной частью выемок в конусах, относительно перепускных окон в шаровой опоре на угол несколько больший, чем длина треугольной выемки. Технический результат также достигается тем, что содержит машину с переменным объемом вытеснения, снабженную дополнительно машиной в качестве гидродвигателя, роторы которых соединены промежуточным валом, установленным в противообгонную муфту с выполненными в ней каналами. Технический результат достигается также тем, что в качестве двигателя внутреннего сгорания машина снабжена камерой сгорания, выполненной внутри шаровой камеры. Технический результат достигается также тем, что при работе в качестве двигателя внутреннего сгорания она снабжена общим корпусом и дополнительным ротором, шаровая камера которого сообщена посредством полой перемычки с выполненной в ней камерой сгорания с шаровой камерой первого ротора.

На фиг.1 изображена объемная роторная машина, продольный разрез;
фиг.2 то же, поперечный разрез;
фиг.3 то же, сопряжение лопатки и диска;
фиг.4 машины с переменным объемом вытеснения, продольный разрез;
фиг.5 то же, совмещение перепускных окон с выемкой;
фиг.6 то же, поперечный разрез;
фиг.7 бесступенчатая гидромеханическая передача, продольный разрез;
фиг.8 двигатель внутреннего сгорания, продольный разрез;
фиг. 9 двигатель внутреннего сгорания с разделенными функциями роторов, продольный разрез.

Объемная роторная машина содержит корпус 1 с выполненной в нем диагонально расположенной канавкой 2, с установленным в ней диском 3, с примыкающими к нему и обеим сторонам корпуса 1 конусами 4 и 5 с выполненными в их вершинах выемками 6, сопряженными с шаровой опорой 7, выполненной в центральной части диска 3, с образованием объемов 8 и 9, разделенных диском 3, в котором установлена по меньшей мере одна лопатка 10 в поворотном уплотнении 11, жестко связанная с конусами 4 и 5, в которых примыкающими к лопатке 10 выполнены впускные и выпускные окна 12, 13, 14 и 15.

На базе объемной роторной машины может быть выполнена машина с переменным объемом вытеснения, содержащая шаровую камеру 16, выполненную внутри шаровой опоры 17, жестко связанной с диском 18, установленным в диагонально расположенную канавку 19, выполненную на внутренней поверхности корпуса 20, выполненную на внешней поверхности шаровой камеры 16, сопряженной с внутренней поверхностью шаровой опоры 17 треугольной выемки 21 с возможностью взаимодействия сторон треугольной выемки с перепускными окнами 22, 23, 24 и 25, с одним из двух объемов 26 и 27, размещенных между конусами 28 и 29, с выполненными в них впускными и выпускными окнами 30, 31, 32 и 33 примыкающими к лопатке 34, жестко связанной с конусами 28 и 29 с выполненными в их вершинах выемками 35, сопряженными с шаровой опорой 17, шаровой камерой 16 и связанным с ней поворотным устройством 36. Поворотное уплотнение 37 выполнено в диске 18 с установленной в нем лопаткой 34.

На базе объемной роторной машины может быть выполнена бесступенчатая гидромеханическая передача, содержащая машину с переменным объемом вытеснения 38, ротор 39 которой жестко связан с ротором 40 гидродвигателя 41 посредством промежуточного вала 42, установленным на противообгонную муфту 43 с выполненными в нем каналами 44 и 45, которые связаны с выпускными окнами 46 машины 38, выполненные в роторе 39 и связанных с ним лопатках 47 их с клапанами 48, а также с впускными окнами 49 в гидродвигателе 41, выполненном в роторе 40 и лопатках 50, а также с краном 51, сопряженном с опорой 52 и являющийся частью шаровой камеры 53 в машине 38 с ее впускными окнами 54, выполненными в диске 55 и с поворотным устройством 56 шаровой камеры 53.

На базе объемной роторной машины может быть выполнен двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру сгорания 57, выполненную в шаровой камере 58, окна 59 и 60 которой сообщены в зоне совмещения с перепускными и впускными окнами 61 и 62 в шаровой опоре 63, примыкающими к лопаткам 64 и 65 и к диску 66 в первом объеме 67, где в конусе 68 примыкающие к лопаткам 64 и 65 выполнены впускные окна 69 и 70, а также в зоне совмещения окон 71 и 72 в шаровой камере 58 с окнами 73 и 74 в шаровой опоре 63 во втором объеме 75, где в конусе 76 примыкающие к лопаткам 64 и 65 выполнены выпускные окна 77 и 78. Шаровая камера 58 на своей внешней поверхности содержит треугольные выемки 79 и 80 и поворотное устройство 81. В диске 66 выполнены сквозные каналы 82, сообщенные с конусами 68 и 76, шаровой опорой 63, корпусом 83, радиатором 84 и вращающимся соединением 85. Корпус 83 заключен в кожух 86.

На базе объемной роторной машины может быть выполнен двигатель внутреннего сгорания с разделенными функциями роторов, содержащий ротор машины с переменным объемом вытеснения 87, снабженный общим корпусом 88 и дополнительным ротором 89, сообщенным с ротором 87 посредством полой перемычки с выполненной в ней камерой сгорания 90 с установленной в ней запальной спиралью 91, с выпускными окнами 92 ротора 87, выполненными в шаровой опоре 93 в зоне совмещения с окнами 94 в шаровой камере 95 и с выпускными окнами 96 ротора 89, выполненными в шаровой опоре 97 в зоне совмещения с окнами98 в шаровой камере 99. Установка роторов 87 и 89 обусловлена процессом начала рабочего хода в роторе 89 и концом сжатия в роторе 87. Шаровая камера 95 снабжена поворотным устройством 10. В диске 101 ротора 89 выполнены сквозные каналы 102 охлаждения и смазки, сообщенные с корпусом 88, с радиатором 103 и посредством вращающегося соединения 104 с ротором 89, с шаровой опорой 97 и с каналами 102 диска 101. Впускные окна 108, выполненные в роторе 89 примыкающими к лопаткам 109, установленным в диске 101. Корпус 88 заключен в кожух 110.

Объемная роторная машина работает следующим образом, при подаче рабочего тела под давлением в окне 12 и 15 примыкающие к лопатке 10 в конусах 4 и 5, давление действует на объемы 8 и 9 противоположные по нарастанию и спаду, образуемые лопаткой 10, диском 3, корпусом 1, шаровой опорой 7 и конусами 4 и 5, а так как по другую сторону лопатки 10 и линии смыкания конусов 4 и 5 диском 3 давление атмосферное, то лопатка 10, жестко связанная с конусами 4 и 5, начинает движение вместе с диском 3, в котором она установлена в поворотном уплотнении 11 и после прохождения лопаткой 10 линий смыкания конусов 4 и 5 с диском 3 в каждом объеме 8 и 9 она начинает вытеснять рабочее тело в выпускные окна 13 и 14, расположенные с другой стороны лопатки 10, и процесс повторяется. Машина реверсивна. Крутящий момент пропорционален давлению рабочего тела. В качестве компрессора работает аналогично.

Машина с переменным объемом вытеснения работает следующим образом, при вращении конусов 28 и 29 и при установке поворотного устройства 36 шаровой камеры 16 на уменьшенную производительность, лопатка 34, проходя линию смыкания конусов 28 и 29 с диском 18, образует объемы по обе стороны диска 18, корпуса 20, шаровой опоры 17 и конусов 28 и 29, в которые поступает рабочее тело из-за действующего там разряжения в окна 30 и 32, после заполнения объемов 26 и 27 через один оборот лопатки 34 в каждом объеме и вторичным проходом линий смыкания лопаткой 34, рабочее тело вытесняется в окна 31 и 33. Причем вытеснение из каждого объема начинается с очень малой величины, которая нарастает до того момента, когда перепускные окна 22 и 23 пересекут сторону треугольной выемки 21 на шаровой камере 16 при возвратно-поступательном движении шаровой опоры 17, при этом окно 31 отключается, а объем сжатия сообщается с объемом расширения по другую сторону лопатки 34 через окна 22 и 23, а перепускные окна 24 и 25 заперты в это время и рабочее тело из объема 26 вытесняется в окно 33. При обратном движении шаровой опоры 17 перепускные окна 22 и 23 закрываются и рабочее тело из объема 27 опять устремляется в окно 31 и так далее. При повороте шаровой камеры 16 производительность объемной роторной машины может меняться от нулевой до полной.

Машина в качестве бесступенчатой гидромеханической передачи работает следующим образом, при вращении корпуса 38 машины с переменным объемом вытеснения и установки поворотного устройства 56 шаровой камеры 53 на минимальную подачу рабочего тела, оно устремляется из окон 46 по каналу 44 в промежуточном валу 42 в впускные окна 49 гидродвигателя 41 и действует на лопатки 50 гидродвигателя и на корпус 41 через диск 55, но так как ротор 40 стопорится противообгонной муфтой 43 на промежуточном валу 42, вращается корпус 41 гидродвигателя и по мере увеличения производительности машины 38 скорость вращения корпуса 41 возрастает и при полной производительности и дальнейшем повороте шаровой камеры 53 кран 51 перекрывает канал 45 и передача становится прямой механической.

Машина в качестве двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом при запуске двигателя и вращении ротора образуемого конусами 68 и 76, диском 66, лопатками 64 и 65, в окна 69 и 70 под действием разряжения образуемого движением лопаток 64 и 65 от линии смыкания конуса 68 и диска 66, рабочее тело заполняет образуемые объемы. После первого оборота ротора и вторичного прохождения лопатками 64 и 65 линии смыкания конуса 68 и диска 66 рабочее тело сжимается до заданной степени сжатия, затем при совмещении перепускного окна 61 в шаровой опоре 63 с окном 59 в шаровой камере 58 рабочее тело устремляется в камеру сгорания, выполненную в шаровой камере 58, как только заполнение камеры сгорания завершается, окно 72 в шаровой камере 58 совмещается с окном 74 в шаровой опоре 63 и в объем между лопаткой 65 и линией смыкания конуса 76 с диском 66 устремляется рабочее тело из камеры сгорания. Лопатка 65 поворачивается вместе с ротором на пол-оборота и со следующей лопаткой 64 все повторяется. При повороте шаровой камеры 57 относительно перепускных окон 61, 62, 73 и 74 в камеру сгорания посылается больший или меньший объем рабочего тела.

Двигатель внутреннего сгорания с разделенными функциями роторов на базе машины работает следующим образом, при запуске двигателя и вращении ротора 87 две лопатки 106, удаляясь от линий смыкания между конусами ротора 87 и диском 107, образуют два объема и разряжение в них, которое через окна 105 заполняет объем ротора 87, при вторичном прохождении лопатками 106 линий смыкания конусов и диска 107 рабочее тело сжимается до необходимой степени, затем окна 92 в шаровой опоре 93 совмещаются с окнами 94 в шаровой камере 95 и рабочее тело попадает в сообщенную с шаровыми камерами 95 и 99 перемычку 90 с выполненной в ней камерой сгорания, где рабочее тело воспламеняется сначала от спирали 91 и в дальнейшем от горячих стенок камеры сгорания и устремляется в уже совмещенные окна шаровой камеры 99 с окнами 96 в шаровой опоре 97, совершает работу, действуя на две лопатки 109 одновременно, затем через пол-оборота роторов 87 и 89 все повторяется. Таким образом, ротор 87 обеспечивает четыре объема сжатия, а ротор 89 четыре рабочих хода за один их оборот. Поворотное устройство 100 шаровой камеры 95 обеспечивает управление объемом подачи рабочего тела в камеру сгорания.

Использование: двигателе-компрессоро и гидромашиностроение. Сущность изобретения: объемная роторная машина содержит корпус с выполненной на его внутренней поверхности диагонально расположенной канавкой, с установленным в ней диском, с примыкающими к диску и к обеим сторонам корпуса конусами. Вершины конусов примыкают к сферической центральной части с образованием первого и второго объемов, разделенных диском. В диске между сферической центральной частью и внутренней поверхностью корпуса установлена по меньшей мере одна лопатка в поворотном соединении. Лопатка жестко связана с конусами, в которых примыкающие к лопатке выполнены впускные и выпускные окна. Сферическая центральная часть выполнена в форме шаровой опоры. Опора жестко закреплена в центральной части диска и сопряжена с выемками в конусах. Внутри шаровой опоры может быть выполнена шаровая камера, 5 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Объемная роторная машина, содержащая корпус с выполненной на его внутренней поверхности диагонально расположенной канавкой, с установленным в ней диском, с примыкающими к диску и к обеим сторонам корпуса конусами, вершины которых примыкают к сферической центральной части с образованием первого и второго объемов, разделенных диском, в котором между сферической центральной частью и внутренней поверхностью корпуса установлена по меньшей мере одна лопатка в поворотном соединении, жестко связанная с конусами, в которых примыкающие к лопатке выполнены впускные и выпускные окна, отличающаяся тем, что сферическая центральная часть выполнена в форме шаровой опоры, жестко закрепленной в центральной части диска и сопряженной с выемками в конусах. 2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что внутри шаровой опоры выполнена шаровая камера с возможностью совместного вращения: шаровой опоры в плоскости диска, а шаровой камеры в плоскости конусов, причем окна в шаровой опоре и в шаровой камере выполнены в зоне их совмещения. 3. Машина по п. 2, отличающаяся тем, что в шаровой опоре примыкающие к диску и к обеим сторонам лопатки выполнены перепускные окна с возможностью совмещения с треугольной выемкой, выполненной на внешней поверхности шаровой камеры, наибольшая ширина которой соответствует амплитуде возвратно-поступательных движений шаровой опоры, с возможностью взаимодействия сторон треугольной выемки с перепускными окнами по меньшей мере камер одного объема и с возможностью поворота шаровой камеры, сопряженной с центральной частью выемок в конусах относительно перепускных окон в шаровой опоре, на угол, несколько больший, чем длина треугольной выемки. 4. Машина по пп.1 3, отличающаяся тем, что она содержит машину с переменным объемом вытеснения, снабженную дополнительной машиной в качестве гидродвигателя, роторы которых соединены промежуточным валом, установленным в противообгонную муфту с выполненными в ней каналами. 5. Машина по пп. 2 и 3, отличающаяся тем, что в качестве двигателя внутреннего сгорания в шаровой камере выполнена камера сгорания. 6. Машина по пп. 2 и 3, отличающаяся тем, что в качестве двигателя внутреннего сгорания снабжена общим корпусом и дополнительным ротором, шаровая камера которого сообщена посредством полой перемычки с выполненной в ней камерой сгорания с шаровой камерой первого ротора.