РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F01C1/63 F01C9/00 F01C19/10 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к объемным роторным машинам, и может быть использовано в качестве двигателя внутреннего сгорания, а также приводного движителя при работе на паре или сжатом воздухе.

Известны роторные машины, где в цилиндрическом корпусе размещен соосно ротор с лопатками, которые при вращении ротора перемещаются в пазах, выполненных в роторе в радиальном направлении (US, патент N 3230840, 418-184, 1966). При возвратно-поступательном движении в пазах лопаток, на которые действуют изгибающие силы, трущиеся поверхности лопаток и ротора быстро изнашиваются.

Пазы подвержены засорению частицами от износа контактирующих элементов, а также различными механическими загрязнениями рабочих сред, находящихся в полостях машины. Это может привести к прекращению перемещений лопаток в роторе, что делает машину неработоспособной. Прекращение перемещений лопаток может произойти и из-за их перекосов в пазах в условиях действия разнообразных динамических нагрузок.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является роторная машина с лопастными роторами, размещенными на валах в цилиндрическом корпусе осесимметрично с ним. Корпус машины имеет каналы подвода и отвода рабочей среды, снабжен торцевыми крышками, а в пазах на поверхностях лопастей размещены подпружиненные уплотнительные элементы, выполненные в виде осевых и радиальных пластин, а также цилиндрические вкладыши в зоне контакта этих пластин (US, авторское свидетельство, N 1788305, F 01 C 19/08, 1993).

Известное устройство, имея два коаксиальных рабочих вала, отличается сложной кинематической схемой преобразования неравномерного движения валов. Механизм преобразования движения включает в себя дифференциал и шестерни эллиптической формы. В таком механизме значительны потери энергии, что снижает к. п. д. двигателя. Обеспечить равномерность вращающего момента на выходном валу и повысить мощность двигателя путем увеличения до двух и более числа цилиндров со смещением по фазе рабочих процессов в них и с роторами, размещенными на одних и тех же соответствующих коаксиальных валах, в данном устройстве невозможно. Нельзя использовать и маховичный накопитель энергии непосредственно на коаксиальных валах из-за неравномерности их движения. Наличие подпружиненных цилиндрических вкладышей в зоне контакта осевых и радиальных пластин усложняет конструкцию уплотнения рабочих камер, приводит к неоднородности износа внутренних поверхностей торцевых крышек и цилиндра, увеличивает затраты энергии на преодоление трения в двигателе.

Задачей изобретения является упрощение конструкции двигателя и повышение эффективности его работы за счет размещения в цилиндре двух лопастей со ступицами на одном общем валу и входящих с ним в зацепление посредством муфт одностороннего действия, а также использования уплотнения рабочих камер из спаренных разжимных осевых и радиальных пластин, установленных в пазы на поверхностях лопастей.

Технический результат достигается тем, что в роторном двигателе, содержащем корпус с каналами подвода и отвода рабочей среды и торцевые крышки, вал, соосно установленный на подшипниках в крышках, лопастные роторы, размещенные на валу с образованием рабочих камер, подпружиненные уплотнительные элементы, размещенные в пазах на поверхностях лопастей, подпружиненные разрезные уплотнительные кольца, установленные в расточках торцевых крышек, роторы выполнены однолопастными со ступицами, снабженными муфтами одностороннего действия для возможности передачи вращающего момента на вал, под каждой ступицей на валу выполнен зубчатый обвод, на лопастях со стороны, противоположной направлению вращения роторов, размещены рычажные механизмы в виде рычага со свободным концом, опертым на внутреннюю поверхность цилиндрического корпуса, и подпружиненного толкателя с оголовком, который имеет возможность при ходе толкателя к центру вращения ротора входить в зацепление с зубчатым обводом вала, на сторонах лопастей размещены упругие элементы, отверстие в корпусе для отвода рабочей среды выполнено в виде сплошной щели, отверстие для подвода в виде прерывистой щели, причем щели ориентированы в осевом направлении, при этом расстояние между щелями подвода и отвода не меньше толщины лопасти в зоне, примыкающей к корпусу; сдвоенные подпружиненные уплотнительные пластины выполнены с пружинным разжимом, а стороны пластин, обращенные к поверхностям рабочей камеры, выполнены ступенчатыми, причем ступеньки расположены встречно, а в угловых зонах рабочей камеры пластины размещены внахлест; на сторонах лопастей, примыкающих к корпусу, размещены магниты, а на корпусе за впускной щелью размещен по крайней мере один электропроводящий контур с возможностью генерации электрического импульса для управления приводом клапана в канале подвода рабочей среды.

В отличие от известного устройства, выполнение каждого из двух соосных роторов однолопастными со ступицами, снабженными муфтами одностороннего действия для возможности передачи вращающего момента на вал позволяет значительно упростить кинематическую схему привода и конструкцию двигателя в целом. Кроме того, из-за большей длины дуги рабочего поворота ротора достигается увеличение степени расширения рабочего тела в термодинамическом цикле, что повышает эффективность работы двигателя. Наличие под каждой ступицей на валу зубчатого обвода и размещение на лопастях со стороны, противоположной направлению вращения роторов, рычажных механизмов, включающих в себя рычаг со свободным концом, опертым на внутреннюю поверхность цилиндрического корпуса и подпружиненный толкатель с оголовком, который имеет возможность при ходе толкателя к центру вращения ротора входить в зацепление с зубчатым обводом вала, а также вращение на сторонах лопастей упругих элементов, которые могут быть выполнены, например, в виде конусных пружин или сильфонов, обеспечивают вывод роторов из "мертвого" положения и, следовательно, надежность функционирования двигателя. Выполнение отверстия в корпусе для отвода рабочей среды в виде сплошной щели, а отверстия для подвода в виде прерывистой щели, при ориентировании щелей в осевом направлении, обусловлено спецификой конструкции двигателя и протекающих в нем рабочих процессов. Упомянутый выше рычаг со свободным концом, опертым на внутреннюю поверхность цилиндрического корпуса, при вращении ротора входит свободным концом в щель отвода рабочей среды и не должен входить в щель подвода рабочей среды, что обеспечивается прерывистым выполнением последней. Выполнение щелей подвода и отвода с расстоянием между ними не меньшим толщины лопасти в части, примыкающей к корпусу, позволяет исключить перекрытие щели подвода лопастью в период, когда она неподвижна после каждого очередного рабочего хода ротора.

Исполнение уплотнительных элементов в виде сдвоенных разжимных пластин со ступенчатыми кромками и с размещением внахлест в угловых зонах рабочей камеры упрощает конструкцию уплотнений и вместе с этим повышает их эффективность. Пружинный разжим работающих в паре пластин в противоположные стороны в продольном направлении позволяет компенсировать неточности изготовления, температурные расширения элементов в рабочих условиях, износ поверхностей и надежно уплотнить угловые области рабочих камер. Наличие ступенек на кромках пластин уменьшает площадь контакта трущихся поверхностей при вращении роторов и, следовательно, благоприятно отражается на к.п.д. двигателя. Кроме того, при этом увеличивается уплотняющая способность пластин за счет лабиринтного эффекта. Размещение сдвоенных пластин в угловых зонах рабочей камеры внахлест обеспечивает перекрытие стыковых зазоров смежных пластин.

Размещение магнитов на сторонах лопастей, примыкающих к корпусу, а на корпусе за впускной щелью размещение по крайней мере одного электропроводящего контура обеспечивает генерацию электрического импульса для управления приводом клапана в канале подвода рабочей среды. При двух разнесенных по окружности цилиндрического корпуса электропроводящих контурах импульс от первого по ходу лопасти вращающего ротора контура открывает клапан, а импульс от второго контура закрывает его. За счет перемещения по длине окружности корпуса второго контура или использования неподвижных третьего, четвертого и т.д. контуров легко осуществить регулирование подачи рабочей среды.

На фиг. 1 показан поперечный разрез предлагаемого роторного двигателя А-А на фиг.3; на фиг.2 развертка цилиндрической поверхности корпуса со щелями для подвода и отвода рабочей среды; на фиг.3 продольный разрез В-В на фиг.1; на фиг.4 узел пружинного разжима сдвоенных уплотнительных пластин; на фиг. 5 стык сдвоенных уплотнительных пластин в угловой области рабочей камеры; на фиг.6 последовательность процессов в роторном двигателе внутреннего сгорания: а) начало впуска, б) конец впуска, зажигание, в) конец рабочего хода, переход "мертвого" положения роторов, г) начало впуска.

Роторный двигатель содержит корпус 1 с каналами подвода 2 и отвода 3 рабочей среды, торцевые крышки 4 и вал 5, соосно установленный на подшипниках 6 в крышках 4. На валу 5 размещены два ротора 7 и 8, включающих в себя ступицы 9 и 10 и лопасти 11 и 12. Ступицы 9 и 10 установлены на подшипниках 13 и 14 соосно на валу 4. Под ступицами 9 и 10 установлены муфты 15 одностороннего действия (например, с храповым механизмом) и на валу 5 выполнены зубчатые обводы 16. В расточках торцевых крышек 4 размещены уплотнительные кольца 17 с пружинами 18 и штифтами 19 для подвижного соединения с подшипниками 6. В пазах на боковых поверхностях лопастей 11 и 12 размещены пружины 20 и сдвоенные уплотнительные пластины 21. В выемке одной из парных пластин 21 устанавливается плоская пружина 22 для разжима пластин относительно друг друга в продольном направлении. Лопасти снабжены магнитами 23, упругими элементами 24 (например, конусными пружинами или сильфонами) и рычажными механизмами, состоящими из рычага 25, пружины 26 и толкателя 27 с оголовком 28. На корпусе 1 размещен электропроводящий контур 29.

Роторный двигатель в режиме двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом (фиг.6).

При открытом клапане 30 во впускном канале 3 в пространство между лопастями A и B под наддувом подается горючая смесь (фиг.6,а). Лопасть A при этом неподвижна, а лопасть B через толкатель 27 соединена с валом 5 и вместе с ним вращается против часовой стрелки. При вращении лопасть B достигает положения, показанного на фиг. 6,б. В этот момент магнитное поле магнита 23 пересекает электропроводящий контур 29 и индуцирует в нем э.д.с. Импульс, индуцированный э.д.с. от электропроводящего контура 29 по линии связи 31 поступает на привод 32 клапана 30, включает привод, и клапан закрывается. (Заметим, что сигнал к закрытию клапана 30 может быть сформирован, например, в реле времени или в каком-либо ином устройстве). От свечи 33 осуществляется зажигание горючей смеси. В рабочей камере между лопастями A и B давление при сгорании топлива повышается, и лопасть B совершает рабочий ход, перемещаясь до положения, показанного на фиг.6,в. При этом давление в смежной камере двигателя, соединенной с выпускным каналом 2, который постоянно открыт, может быть равно или близко к атмосферному. Вращающий момент от лопасти B на вал 5 в период рабочего хода передается через муфту 15. В положении лопастей на фиг. 6,в давление газа в обеих камерах выравнивается, и возникает ситуация, называемая "мертвой" точкой. Но вал 5 продолжает вращаться или за счет энергии, запасенной имеющимся на нем маховиком, или за счет рабочего хода в другом, смежном цилиндре, через который этот вал проходит. Так как лопасть В через толкатель 27 находится в сцеплении с валом 5, то она также вращается и через упругий элемент 24 воздействует на лопасть A. Лопасть A получает через упругий элемент импульс вращения. Свободный конец рычага 25 лопасти A выходит из щели 2 для выпуска рабочего тела, воздействует на толкатель 27, который перемещается к центру вращения и своим оголовком входит в зацепление с зубчатым обводом 16 вала 5. Дальше лопасть A вращается заодно с валом 5. Свободный конец рычага 25 вращающейся лопасти B попадает в щель 2 и под действием пружины 26 толкатель 27 с оголовком 28, перемещаясь от центра вращения, выводят лопасть из зацепления с валом 5 (фиг.6,г). С этого момента начинает разжиматься сжатый при взаимодействии лопастей А и В упругий элемент 24.

Сила разжатия упругого элемента 24 уравновешивает силу инерции движения лопасти B, и последняя останавливается. В этот же момент магнитное поле, создаваемое магнитом 23 лопасти A, взаимодействует с электропроводящим контуром 29, где генерируется э.д.с. и вырабатывается импульс, передаваемый по линии связи 31 на привод 32, открывающий клапан 30 во впускном канале 3. Под давлением через канал 3 поступает горючая смесь, и далее повторяется описанная выше последовательность процессов. Но неподвижной при этом остается лопасть B, а рабочий ход совершает лопасть A. Так происходит постоянное чередование движения и фиксации в неподвижном состоянии лопастей.

Рычаг 25, входя в щель 2, выполняет дополнительную функцию упора лопастей. Для уменьшения трения о внутреннюю поверхность корпуса свободный конец рычага 25 может быть снабжен вращающимся роликом. Маршруты движения 34 свободного конца рычага 25 по внутренней поверхности корпуса минуют щель 3 для подачи рабочего тела, так как последняя выполнена прерывистой (фиг.2).

Использование предлагаемого роторного двигателя обеспечивает по сравнению с существующими устройствами следующие преимущества:
упрощается конструкция и технология изготовления двигателя;
достигается большая уравновешенность работы двигателя и лучшая его регулируемость;
за счет использования сдвоенных разжимных пластин со ступенчатыми кромками достигается высокая степень уплотнения рабочей камеры двигателя, которая не ухудшается в процессе износа от трения из-за возможности двустороннего перемещения пластин и осевого перемещения разрезанных уплотнительных колец под действием пружин;
не предъявляются высокие требования к точности изготовления элементов двигателя;
двигатель легко разбирается и собирается, обладает хорошей ремонтопригодностью и малой номенклатурой используемых деталей;
возможно в широких пределах регулировать количество подаваемой в рабочую камеру горючей смеси и, следовательно, единичную мощность цилиндра;
легкость компоновки нескольких цилиндров с одним общим валом.

Использование: в области машиностроения, а именно в объемных роторных машинах, и может быть использовано в качестве двигателя внутреннего сгорания, а также приводного двигателя при работе на паре или сжатом воздухе. Сущность изобретения: роторный двигатель содержит цилиндрический корпус с каналами подвода и отвода рабочей среды и торцевыми крышками, вал, соосно установленный на подшипниках, лопастные роторы, размещенные на валу с образованием рабочих камер, подпружиненные уплотнительные элементы, размещенные в пазах на поверхностях лопастей, подпружиненные разрезные уплотнительные кольца, установленные в расточках торцевых крышек. Каждый из двух соосных роторов выполнен однолопаточным со ступицами, снабженными муфтами одностороннего действия для возможности передачи вращающего момента на вал, под каждой ступицей на валу выполнен зубчатый обвод, на лопастях со стороны, противоположной направлению вращения роторов, размещены рычажные механизмы, включающие в себя рычаг со свободным концом, опертым на внутреннюю поверхность цилиндрического корпуса, и подпружиненный толкатель с оголовком, который имеет возможность при ходе толкателя к центру вращения ротора входить в зацепление с зубчатым обводом вала, на сторонах лопастей размещены упругие элементы, отверстие в корпусе для отвода рабочей среды выполнено в виде сплошной щели, а отверстие для подвода - в виде прерывистой щели, причем щели ориентированы в осевом направлении, при этом расстояние между щелями подвода и отвода не меньше толщины лопасти в части, примыкающей к корпусу. Сдвоенные подпружиненные уплотнительные пластины выполнены с пружинным разжимом, а стороны пластин, обращенные к поверхностям рабочей камеры, выполнены ступенчатыми, причем ступеньки расположены встречно, а в угловых зонах рабочей камеры пластины размещены внахлест. На сторонах лопастей, примыкающих к корпусу, размещены магниты, а на корпусе за впускной щелью размещен по крайней мере один электропроводящий контур с возможностью генерации электрического импульса для управления приводом клапана в канале подвода рабочей среды. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Роторный двигатель, содержащий цилиндрический корпус с каналами подвода и отвода рабочей среды и торцевыми крышками, вал, соосно установленный на подшипниках в крышках, лопастные роторы, размещенные на валу с образованием рабочих камер, подпружиненные уплотнительные элементы, размещенные в пазах на поверхностях лопастей, подпружиненные разрезные уплотнительные кольца, установленные в расточках торцевых крышек, отличающийся тем, что роторы выполнены однолопастными со ступицами, снабженными муфтами одностороннего действия для возможности передачи вращающего момента на вал, под каждой ступицей на валу выполнен зубчатый обвод, на лопастях со стороны, противоположной направлению вращения роторов, размещены рычажные механизмы в виде рычага со свободным концом, опертым на внутреннюю поверхность цилиндрического корпуса, и подпружиненного толкателя с оголовком, который имеет возможность при ходе толкателя к центру вращения ротора входить в зацепление с зубчатым обводом вала, на сторонах лопастей размещены упругие элементы, отверстие в корпусе для отвода рабочей среды выполнено в виде сплошной щели, а отверстие для подвода в виде прерывистой щели, причем щели ориентированы в осевом направлении, при этом расстояние между щелями подвода и отвода не меньше толщины лопасти в части, примыкающей к корпусу. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что сдвоенные подпружиненные уплотнительные пластины выполнены с пружинным разжимом, а стороны пластин, обращенные к поверхностям рабочей камеры, выполнены ступенчатыми, причем ступеньки расположены встречно, а в угловых зонах рабочей камеры пластины размещены внахлест. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на сторонах лопастей, примыкающих к корпусу, размещены магниты, а на корпусе за впускной щелью размещен по крайней мере один электропроводящий контур с возможностью генерации электрического импульса для управления приводом клапана в канале подвода рабочей среды.