РОТОРНАЯ ПЛАСТИНЧАТАЯ МАШИНА Российский патент 1998 года по МПК F01C1/32 

Изобретение относится к роторным машинам, которые могут быть использованы в качестве гидромашин, компрессоров или двигателей.

Известны роторные пластинчатые машины [1] содержащие статор с цилиндрической расточкой, торцевыми стенками и каналами подвода и отвода жидкости; эксцентрично установленный ротор, в радиальных пазах которого размещены пластины с возможность возвратно-поступательного перемещения, при этом наружный край пластины скользит по расточке статора, прижимаясь к последней за счет либо центробежных сил, либо под действием пружин или избыточного давления жидкости.

Эти машины обладают следующими недостатками.

1. Большие относительные скорости скольжения внешних и боковых сторон пластин относительно цилиндрической расточки и торцевых стенок статора. Большие скорости способствуют быстрому износу трущихся поверхностей (см. Г.С. Игумнов "Маломощные двухтактовые двигатели с самовоспламенением топлива от сжатия", М. Машгиз, 1951, стр. 28-30). В местах контакта трущихся поверхностей необходимо создать достаточно высокое нормальное давление, чтобы обеспечить необходимую герметичность, а повышенное нормальное давление по закону Кулона влечет увеличение силы трения. Все это ведет к снижению механического КПД машины.

2. Заклинивание пластин в пазах ротора происходит благодаря тому, что пластина работает как консольная балка, замещенная с одного конца в пазах ротора, а на другой свободный конец действуют силы трения и избыточного давления. Этот недостаток столь значителен, что применить машины такого типа в качестве двигателя внутреннего сгорания не представляется возможным.

С первым из недостатков борются путем применения различного рода подпятников на внешнем конце пластин (см. например, заявка Великобритании N 2218469, опубликованная в реферативном издании "Изобретения стран мира", F 01, N 2, 1991, с. 64 и заявка РФ N 93019609, опубликованная в бюллетене "Изобретения", N 34, 1995, с. 52). Кроме подпятников применяют свободно вращающиеся втулки, на которые опираются внешним концом пластины (см. патенты Японии N 3-6353 и N 3-6355, опубликованные в реферативном издании "Изобретения стран мира", P 04, N 1, 1992, с. 67).

Эти приспособления позволяют трение с пластин перенести на подпятники или втулки и, таким образом, износу теперь подвергаются трущиеся поверхности подпятников и втулки, что не влияет на повышение КПД машины, уменьшается только износ пластин.

Второй недостаток заклинивание пластин в пазах пытаются устранить путем применения вкладышей в пазах внутреннего ротора и клинообразных пластин, внешний конец пластины при этом скользит по вкладышу. Это уменьшает усилие, действующее на консоль пластины, но не устраняет полностью недостаток. (См. например, официальный бюллетень РФ "Изобретения" N 7/95, патент N 2030598 и заявка N92008717/29 и 92008719/29, в бюллетене N 8/95).

Наиболее близким аналогом заявляемой машины по совокупности существенных признаков, которые влияют на достигаемый результат, является роторная пластинчатая машина по вышеуказанной публикации [1] выбранная в качестве прототипа.

Сущность изобретения заключается в следующем. Скорости скольжения относительно движущихся элементов значительно уменьшаются, а силы нормального давления на цилиндрическую расточку статора переносятся на подшипник путем применения дополнительно внешнего ротора, соосного с расточкой статора, состоящего из цилиндрической втулки, торцевых стенок и двух цапф, посаженных на подшипники в статоре. Внешней ротор синхронизован с внутренним. Так уменьшается износ и повышаются КПД за счет снижения скоростей скольжения и сил трения.

Вторая проблема решается путем более равномерного распределения нагрузки на пластину. Для этого введена дополнительная опора внешнего конца пластины в виде шарнира на внешнем роторе, при этом внутренний конец, помещенный паз дополнительного элемента внутреннего ротора, имеет возможность отклоняться от радиального направления. Теперь пластина имеет две опоры по концам и, следовательно, заклинивание полностью устраняется.

Поставленная цель в совокупности с известными элементами достигается следующими средствами:
вводится дополнительно внешней ротор;
обороты внешнего ротора и внутреннего согласуются с помощью синхронизаторов вращения;
пазы внутреннего ротора выполнены в дополнительных элементах, которые делают возможным отклонение пластин от радиального направления;
пластины шарнирно опираются одним концом на внешний ротор и скользят в пазах дополнительных элементов внутреннего ротора.

Поскольку вся совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения, обеспечивающая повышение КПД, в отличие от прототипа неизвестна из уровня техники, она обладает новизной.

В патентной и технической литературе не обнаружено конструкцией с отличительными признаками заявляемого технического решения, поэтому оно соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображена схема торцевого разреза одного из вариантов заявляемой машины; фиг. 2 разрез по осям внешнего и внутреннего роторов; на фиг. 3 проставлены углы и размеры элементов.

Внутри цилиндрической расточки статора 1 установлен внешний ротор 2 с торцевыми стенками 2в и цапфами 2а. Внутренний ротор 3 с валом 3а эксцентричен по отношению к внешнему ротору.

Дополнительные элементы в виде плунжеров 4 имеют возможность отклонения относительно радиального направления. В пазах плунжеров свободно посажены пластины 5 одним концом, а другой конец 5а шарнирно закреплен на внешнем роторе.

Введены следующие обозначения:
e эксцентриситет;
ϕ = ωt угол поворота ротора;
w угловая скорость вращения;
t время;
R радиус внешнего ротора;
r радиус плунжера;
h высота пластины;
γ угол отклонения пластины 5 от радиального направления, т.е. угол поворота шарнира 5а.

Из геометрических соображений получается

или с точностью до


Таким образом, угол отклонения пластины от радиального направления может быть конструктивно выбран достаточно малым. Наименьшее значение γ получается, если ось плунжера совпадает с осью внутреннего ротора.

В этом случае Угловая скорость получается путем дифференцирования по t выражения для γ

Итак, наибольшая линейная скорость скольжения внешнего конца пластины у прототипа ωR а у заявляемой машины, если допустить, что h≤2 ч,

Столь малые скорости скольжения и малые углы отклонения позволяют создать надежное уплотнение рабочих полостей и тем самым повысить объемный КПД.

Предложенная машина работает следующим образом. Торцевые стенки внутреннего ротора 3 движутся поступательно относительно торцевых стенок внешнего ротора 2, т.е. любая точка торцевой стенки внутреннего ротора 3 описывает за оборот дугу в виде окружности радиуса e на торцевой стенке внешнего ротора. У прототипа этот радиус изменяется от нуля до R-e. Таким образом, и здесь получается выигрыш в линейной скорости скольжения, по крайней мере, для периферийных значений радиуса внутреннего ротора 3, где и требуется наиболее тщательное прилегание для обеспечения герметичности. Шарнирное крепление пластин 5а на внешнем роторе 2 позволяет с одной стороны применять совершенное уплотнение, а с другой стороны обеспечивает разгрузку пластин. В роторных машинах это наиболее уязвимое с точки зрения и износа место контакта (см. например, В.С.Бениович, Г.Д.Апазиди, А.М.Бойко "Роторно-поршневые двигатели", Машиностроение, 1968, с. 62-80).

Заявляемую машину целесообразно использовать в качестве двигателя внутреннего сгорания, при этом с целью повышения термического КПД поверхности рабочих полостей выполнить из керамики.

Роторная пластинчатая машина может быть использована в качестве гидромашин, компрессоров и двигателей. В роторной пластинчатой машине дополнительно установлен внешний ротор (2), соосный со статором (1). Внешний и внутренний роторы (2), (3) вращаются с одной угловой скоростью, а пластины (5) шарнирно закреплены одним концом на внешнем роторе (2), а другой конец свободно скользит в пазах внутреннего ротора (3). При этом пазы выполнены в дополнительных элементах и имеют возможность отклоняться от радиального направления. Применение внешнего ротора (2) значительно снижает относительное скорости и разгружает пластины, устраняя эффект заклинивания. 3 ил.

Роторная пластинчатая машина, содержащая статор с внутренней цилиндрической расточкой, с торцевыми стенками и каналами подвода и отвода рабочей среды, эксцентрично установленный внутренний ротор с пазами, в которых свободно посажены пластины, отличающаяся тем, что дополнительно установлен внешний ротор, соосный с расточкой статора и синхронизированный с внутренним ротором, имеющим дополнительные элементы с пазами, в которых свободно посажены одним концом пластины с возможностью отклонения от радиального направления, причем внешние концы пластин шарнирно закреплены на внешнем роторе.