РОТОРНАЯ ЛОПАСТНАЯ МАШИНА С КОНУСНЫМ РОТОРОМ Российский патент 1998 года по МПК F01C9/00 F02B53/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к компрессоростроению и двигателестроению.

Главное, что характеризует многообразие конструкций роторных машин - способ получения изменяющегося рабочего объема во время вращения основного вала-ротора. Применяют соосные системы с наклонными поверхностями, например, у ротора [1]. В такой системе прижимная пластина, ограничивающая изменяющиеся объемы, скользит по наклонной поверхности, прижимаясь к ней. В данном случае трудно конструктивно решить вопрос уплотнения между наклонной поверхностью и пластиной, между пластиной и цилиндрической поверхностью статора. Ведь при вращении ротора углы между поверхностями изменяются, но об этом не сказано. Широко известна также простая конструкция из цилиндрического ротора с лопастями, который вращается во внутреннем цилиндре, но с эксцентриситетом между осями. Эти системы широко применяются для пневмодвигателей [2]. У системы с эксцентриситетом типа цилиндр в цилиндре есть серьезный недостаток - невозможность получения достаточной степени сжатия. Это связано с тем, что при большом эксцентриситете и достаточной степени сжатия для лопастей нет места в роторе.

Известна также роторная лопастная машина с конусным ротором, содержащая статор с внутренней поверхностью в виде сферы, рассеченной наклонной плоскостью для изменения объема, и ротор с лопастями, совершающими при его вращении качающиеся движения, скользя по сфере с возможностью утапливания в теле ротора и сжатия межлопастного объема [3].

Недостатком указанной машины является недостаточная эффективность работы.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы машины.

Задача решается тем, что наклонная плоскость выполнена диаметральной, вершина конуса ротора совпадает с центром сферы, а лопасти совершают качающиеся движения вокруг центра, совпадающего с вершиной конуса.

На фиг. 1 схематично представлен общий вид роторной лопастной машины с конусным ротором; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг.1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - разрез В-В на фиг.1; на фиг. 5 схематично представлен общий вид двигателя внутреннего сгорания на основе изобретения; на фиг. 6 - вид по стрелке А на фиг.5.

В корпусе 1, на подшипниках 2 качания установлен ротор 3, с конусом в верхней части, в пазы которого вставлены лопасти. Корпус сверху закрыт крышкой 4, играющей роль наклонной плоскости, которая крепится болтами к корпусу. Вершина конуса упирается в подшипник 5 скольжения, выполненный в виде шара. Между лопастями имеются пружины 6, прижимающие их к наклонной плоскости. На фиг. 1 и 4 видны поворачивающиеся вставки 7, которые вставлены в тело лопастей. Тело лопастей состоит из внешней 8 и внутренней 9 частей между которыми вставлены пружины 10, раздвигающие обе половины. Таким образом, каждая лопасть состоит из четырех деталей - двух вставок и двух частей лопасти с пружиной. На фиг. 2 видны четыре лопасти. Лопасти 11 и 12 занимают сектор наибольшего объема, лопасти 13 и 14 - сектор наименьшего межлопастного объема. В конус ротора вставлено уплотнительное кольцо 15, которое прижимается к корпусу пружинами.

Предлагаемая роторная машина может быть использована как компрессор, двигатель внутреннего сгорания, пневмодвигатель и т.д.

Рассмотрим работу предлагаемой роторной машины в качестве компрессора (фиг.1 и 2).

Всасывающий патрубок крепится к крышке с отверстием, которое располагается в месте наибольшего объема межлопастного пространства. При вращении вала лопасти выдвигаются в свои пазы, качаясь вокруг центра сферического подшипника 5, объем между лопастями уменьшается и достигает минимума в соответствующем секторе. Обозначим наибольшим объем между лопастями 11 и 12 - V₀, наименьший объем между лопастями 13 и 14 - V₁. Отношение a = V₀/V₁ является степенью сжатия. Величина a зависит от угла наклона β наклонной плоскости к основанию конуса ротора. Максимальная величина a для предлагаемой машины a = 12-14, при этом наклонная плоскость почти касается образующей конуса. При необходимости уменьшения a уменьшается β . Патрубок высокого давления крепится также к крышке с отверстием в секторе наименьшего объема. Машина вращается с помощью любого двигателя, роль клапанов, отсекающих сжимаемые объемы воздуха, играют сами лопасти, но могут быть применены разного рода клапаны. Например, при диаметре основания конуса D_к 200 мм и высоте конуса H_к 70 мм за один оборот сжимается около 10^-3 м³ газа. При частоте вращения ротора 15 с^-1 (900 об/мин) производительность компрессора составит около 0,7 м³/мин.

Рассмотрим работу системы уплотнений. Герметизация камеры, в которой сжимается газ, обеспечивается поверхностями скольжения: торец лопасти - сферическая поверхность статора, лопасть-наклонная плоскость, лопасть - паз конуса, лопасть - шаровой подшипник на вершине конуса. Для скольжения по сферической поверхности торец внешней части лопасти имеет сферическую поверхность, торец вставки также скользит по сфере и аналогично обработан. При скольжении по плоскости вставки прилегают плоской полочкой, поворачиваясь в цилиндрическом углублении в теле лопасти (фиг.4). Соответственно для скольжения по сферическому подшипнику торцы внутренних частей лопастей обработаны по его диаметру. Компенсация теплового расширения узлов обеспечивается зазорами в лопастях и вставках - они сделаны составными (фиг.3), конус при нагреве свободно расширяется, а уплотнение конуса обеспечивается кольцом, поджатым пружинами (фиг.1). Нижние части лопастей никуда не упираются благодаря заявляемому принципу - лопасти движутся по среде, утопая в конусном роторе. Охлаждение статора и наклонной плоскости может быть осуществлено обдувом воздухом или с помощью замкнутого водяного контура, то есть с помощью известных методов. Смазка трущихся поверхностей может осуществляться с помощью насоса, подающего масло, например, из нижней части корпуса в сферический подшипник через крышку.

Предложенная роторная машина может работать в качестве ДBC (см. фиг.5 и 6).

В секторе наибольшего объема в наклонной плоскости 16, играющей роль крышки, предусмотрено два окна - окно 17, из которого выходят продукты сгорания, и окно 18, через которое осуществляется продувка воздухом. Для продувки воздухом на валу 19 смонтирован специальный вентилятор 20, который патрубком 21 соединен с окном 18 крышки.

В секторе наименьшего объема межлопастного пространства в крышку ввинчены форсунки 22 для подачи топлива и свеча 23 (при использовании бензина или газа). Для перекрытия отверстий форсунки и свечи поворачивающиеся вставки 24 лопастей выполнены с уширениями.

Работа предлагаемого двигателя осуществляется следующим образом.

При вращении вала каждый межлопастной объем проходит следующие фазы:
продувка воздухом и удаление продуктов сгорания в секторе максимального объема 25;
сжатие воздуха до сектора минимального объема 26;
рабочий ход, вплоть до сектора наибольшего объема.

Рассмотрим каждую фазу отдельно.

Продувка воздухом и удаление продуктов сгорания.

Первая лопасть (отсчет против часовой стрелки) проходит через окно 17, из которого выходят продукты сгорания под влиянием избыточного давления и благодаря центробежным силам из-за вращения вала с лопастями. Далее лопасть проходит через окно 18, в которое подается воздух от вентилятора 20, очищающий межлопастной объем от продуктов сгорания.

Сжатие воздуха.

Сжатие воздуха происходит при принудительном утоплении лопастей в тело конуса до сектора максимального объема. Впрыск топлива осуществляется заранее при сжатии, далее воздушно-бензиновая смесь проходит с определенной скоростью через канавки в теле конуса (щель между наклонной плоскостью и образующей конуса), причем эта скорость должна быть выше скорости горения, которое инициируется свечой зажигания.

Рабочий ход.

Зажигание должно быть осуществлено после того, как площадь выдвинутой первой лопасти будет больше выдвинутой площади второй лопасти, то есть появится крутящий момент против часовой стрелки. Эта разница площадей будет увеличиваться по мере осуществления рабочего хода, вплоть до перехода в сектор продувки воздухом.

Описанная выше система зажигания позволяет использовать большие степени сжатия без явления детонации.

При необходимости получения большей мощности несколько роторных машин (в качестве DBC) могут объединяться параллельно.

Благодаря простым формам деталей предлагаемой роторной машины могут быть широко использованы в конструкции керамика и напыленные керамические покрытия. Отсутствие значительных неуравновешенных масс позволяет создать ДBC с максимальной динамичностью и высоким КПД.

На моделях из алюминиевых сплавов была подтверждена работоспособность предлагаемой роторной машины.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к компрессоростроению и двигателестроению. Роторная лопастная машина к конусным роторам содержит статор с внутренней поверхностью в виде сферы, рассеченной наклонной диаметральной плоскостью, вершина конуса ротора совпадает с центром сферы, а лопасти совершают качающиеся движения вокруг центра, совпадающего с вершиной конуса. Изобретение позволяет повысить эффективность работы машины. 6 ил.

Роторная лопастная машина с конусным ротором, содержащая статор с внутренней поверхностью в виде сферы, рассеченной наклонной плоскостью для изменения объема, и ротор с лопастями, совершающими при его вращении качающиеся движения, скользя по сфере с возможностью утапливания в теле ротора и сжатия межлопастного объема, отличающаяся тем, что наклонная плоскость выполнена диаметральной, вершина конуса - совпадающей с центром сферы, а лопасти совершают качающиеся движения вокруг центра, совпадающего с вершиной конуса.