РОТОРНАЯ МАШИНА Российский патент 1998 года по МПК F04C2/344 F04C18/344 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях гидро- или пневмомашин, а также в двигателях внутреннего сгорания.

Известна конструкция двигателя внутреннего сгорания, содержащая ротор, с установленными в нем шиберами, и корпус с системами газораспределения и зажигания (заявка ФРГ N 3822935, кл. F 01 C 1/344, 1990).

Недостатком этой конструкции является консольное закрепление шиберов к ротору, что ведет к снижению ресурса ДВС.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому является роторная шиберная гидропневмомашина или двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, с расположенными в нем цилиндром и системами гидрогазораспределения, а также системой зажигания, в случае использования роторной машины, как ДВС. По плоскости цилиндра скользят шиберы, установленные в пазах ротора (заявка ЕПВ N 0149471, кл. F 01 C 1/344, 1985).

Недостатками этой конструкции являются трение рабочего тела о стенки корпуса, что обуславливает теплопотери, потери на трение, а также возможность появления такого явления, как разрыв фронта пламени из-за чрезмерного завихрения, кроме того шиберы имеют консольное закрепление в пазах ротора, что отрицательно влияет на ресурс и эффективность роторной машины.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности и надежности роторной пневмогидромашины.

Технический результат достигается тем, что роторная машина, содержащая перемещающиеся по контуру зеркала по меньшей мере одного статора, шиберы, установленные в пазах ротора, отверстия подвода и отвода рабочей среды, систему воспламенения и систему питания топливом, в случае использования роторной машины в качестве ДВС, дополнительно снабжена двумя торцевыми шайбами, установленными на торцах ротора, диаметр торцевых шайб превышает наибольший размер статора, торцевые шайбы могут быть выполнены заодно с ротором или иметь разборную с ротором конструкцию, в торцевых шайбах, выполненных как одно целое или имеющих разборную конструкцию, со стороны ротора выполнены глухие пазы, совпадающие по всем соответственно сопрягающимся поверхностям с пазами ротора, необходимые для установки шиберов, а сечение статора имеет форму окружности или лекальной кривой, выраженной одной или несколькими овоидноподобными кривыми, исходящими из общего центра координат. В случае использования роторной машины не в качестве ДВС сечение статора преимущественно выполняется в форме окружности, а ротор с торцевыми шайбами устанавливается по отношению к статору с эксцентриситетом. При использовании роторной машины в качестве ДВС сечение зеркала статора может быть выполнено в виде четного числа овоидноподобных кривых, образующих неразрывную локальную линию. Овоидноподобные кривые в этом случае исходят из одного начала координат, совпадающего с центром ротора. Причем овоидноподобные кривые, соответствующие ветвям расширения и выпуска отработавшего газообразного рабочего тела, выполнены большими, чем овоидноподобные кривые ветвей наполнения и сжатия свежего заряда, что позволяет полностью использовать энергию расширения отработавших газов и снизить шумность выхлопа. Роторная машина может быть использована в качестве мотокомпрессора, для чего как минимум один статор с находящимися в нем ротором и шиберами в своем сечении выполняется хотя бы по одной плоской лекальной кривой, выраженной тремя исходящими из одной точки начала координат, совпадающих с центром ротора и направленных своими выпуклыми сторонами в различных направлениях овоидноподобными кривыми.

Уплотнение газового стыка по контуру шиберов осуществляется как точным, с учетом тепловых расширений и смазки, изготовлением пазов и самих шиберов, так и при помощи специальных и известных в технике средств.

Для более полного использования газовых циклов при получении наименьших размеров роторной машины шиберы могут быть выполнены телескопическими. Шиберы и их уплотнения могут быть составными, что предпочтительно для ДВС. Это диктуется требованиями газораспределения, зажигания и вентиляции. Составной шибер в месте образования пары трения шибер - статор имеет качающуюся уплотняющую часть, которая имеет возможность своей плоской поверхностью (рабочей) нивелировать сечение статора, а ширина качающейся уплотняющей части выбирается достаточной для надежного ( в случае необходимости диктуемой принятым в ДВС газовым циклом или конструктивно) разделения соседних газовых камер во время перекрытия газовых и запальных отверстий. Также должны быть учтены опрокидывающие силы, вызываемые силами трения. Кроме того, качающаяся уплотняющая часть имеет возможность изменять свою длину в зависимости от температурного расширения сопряженных деталей, одновременно не нарушая герметичности стыка, что обеспечивается любым известным в технике способом. В случае конструктивных требований, а также требований, предъявляемых к выбранному газовому циклу, возможно обеспечение вентиляции прорывающихся через газовые стыки газов и отсеченных качающейся уплотняющей частью шибера газов от предыдущих камер в газовых и запальных отверстиях по продувочной щели, расположенной по всей длине плоской рабочей поверхности качающейся уплотняющей части шибера, к общей системе вентиляции. Для поджатия шиберов к зеркалу статора при низких оборотах ротора целесообразно применять поджимное устройство, конструкция которого может быть самой разнообразной. Но газовый стык бишер - статор может уплотняться и за счет прижатия шибера к статору инерционными силами. В этом случае для недопущения нарушения конструктивно заданного взаимного расположения деталей во время пуска и остановки роторной машины шиберы на своих выступающих частях имеют выступы (устройства), обеспечивающие удержание шибера в конструктивно заданном положении. Во время вращения ротора выступы в работе роторной машины не участвуют, т.к. отжаты инерционными сигналами. Смазка статора, ротора и шиберов может осуществляться как методом подвода смазки совместно со свежим зарядом, так и отдельно методом непосредственного вспрыска смазки на поверхности трения или капиллярно. На поверхностях трения возможно применение специальных и известных в технике технологий, задерживающих как износ, так и расход смазывающих материалов. Для снижения термических напряжений торцевых шайб, ротора и шиберов они могут иметь систему охлаждения, выполненную в виде каналов в корпусе, ответных сквозных осевых каналов в торцевых шайбах и ротора и сообщенных с ними радиальных и осевых каналов торцевых шайб, ротора и шиберов, через описанную систему охлаждения обеспечивается продувка газообразного теплоносителя (воздуха). Для улучшения охлаждения деталей роторной машины на наружных плоскостях торцевых шайб может быть выполнена крыльчатка. Для снижения термических напряжений цилиндра он, в свою очередь, тоже может иметь систему охлаждение, и, как следствие, для улучшения распыла топлива в карбюраторе, в случае его установки, систему подогрева топлива. Количество рабочих камер в одном статоре, образованных ротором, торцевыми шайбами, статором и шиберами, может быть любым. В случае использования роторной машины как быстроходного ДВС, система газораспределения может быть управляемой, а в одной камере могут быть установлены несколько попеременно работающих запальных свечей или форсунок. При использовании роторной машины в качестве двигателя, для выравнивания крутельных колебаний на выходном валу целесообразна установка маховика и демпфера.

На чертеже представлено поперечное сечение роторной машины.

Роторная машина содержит перемещающуюся в статоре 1 шиберы 2, которые установлены в пазах 3 ротора 4, и закрепленные на нем торцевые шайбы 5 и 6 с пазами 7 и 8, которые ответны шиберу 2 и совпадают с пазом 3 ротора 4. Ротор 4 установлен в корпусе 9 с возможностью вращения, а статор 1 закреплен к вышеупомянутому корпусу 9 жестко. Статор 1 имеет систему охлаждения в виде ребер 10. Система охлаждения ротора 4, торцевых шайб 5 и 6 и шиберов 2 выполнена в виде каналов 11 в корпусе 9, ответных сквозных осевых каналов 12 в торцевых шайбах 5 и 6 и роторе 4, сообщенных с ними и между собой радиальных и осевых каналов 13 ротора 4, торцевых шайб 5 и 6 шиберов 2 и выпускных каналов 14, расположенных в корпусе 9. Торцы статора 1 снабжены уплотнительными кольцами 15, которые постоянно поджаты к внутренним поверхностям торцевых шайб 5 и 6 любым известным в технике способом. Отверстия подвода и отвода рабочей среды, а также система воспламенения (в случае использования роторной машины как ДВС) расположены в корпусе 9 статора 1.

Работает роторная машина следующим образом.

Ротор 4, вращаясь в корпусе 9, вовлекает во вращение торцевые шайбы 5 и 6, ротор с шайбами своими пазами 3, 7, 8 вовлекает во вращательное движение шиберы 2, которые под действием центростремительной силы прижимаются к зеркалу статора 1, в результате чего образуются замкнутые рабочие объемы, ограниченные ротором 2, торцевыми шайбами 5 и 6, зеркалом статора 1 и шиберами 2. При движении шибера 2 по зеркалу статора 1 в зоне, образованной началом овоидноподобной кривой, определяющей ветвь наполнения - сжатия, шиберы 2 под действием центростремительных сил и в результате плавного увеличения радиуса статора 1, начинают движение в пазах 3, 7 и 8, выдвигаясь из ротора 4, как следствие происходит увеличение замкнутого рабочего объема и падение давления в нем. На ветви наполнения шиберы 2 открывают отверстия подвода рабочей среды, выполненные в статоре 1, через которые за счет падения давления происходит наполнение рабочего объема свежим зарядом. При дальнейшем вращении ротора он достигает свою мнимую угловую отметку, близкую по значению к 90^o, в это время шиберы 2, скользя по зеркалу статора 1, входят на его максимальный радиус, в результате падение давления в рабочих камерах прекращается, шиберы 3 перекрывают отверстия подвода рабочей среды статора 1 и, скользя далее вдоль зеркала статора 1, входит в зону сжатия, в результате чего в рабочей камере происходит сжатие свежего заряда. Примерно через 180^o поворота ротора 4 рабочая камера входит в зону воспламенения, где происходит возгорание рабочей смеси. В результате горения в рабочей камере образуется избыточное давление, которое воспринимается соседними по камере шиберами 2, находящимися на разных участках овоидноподобной кривой, определяющей расширение и выпуск статора 1. Как следствие шиберы 2 имеют разную величину линейного выхода из ротора 4 и соответственно разные площади, в результате на том шибере, который имеет большую площадь, образуется большая сила, которая воспринимается пазами 3, 7 и 8 торцевых шайб 5 и 6 и ротора, после чего на роторе 4 возникает полезный крутящий момент. Шиберы 2, двигаясь вдоль зеркала статора 1, соответствующего участку расширения, постоянно увеличивают свою площадь и плечо действия результирующей газовой силы, в результате чего на всем этом участке действует крутящий момент почти постоянной величины. Приблизительно через 20^o давление в рабочей камере достигает величины, близкой к атмосферному, - это говорит о том, что шиберы 2 в своем движении достигли максимально удаленной зоны ветви расширения, после чего шиберы 2, продолжая движение по зеркалу статора 1, входят в зону выпуска отработавших газов и открывают отверстия отвода рабочей среды статора 1, при дальнейшем вращении ротора 4 объем рабочих камер уменьшается в результате уменьшения радиуса статора 1, тем самым обусловлено вытеснение из рабочего объема отработавших газов. Приблизительно через 360^o рабочий объем становится наименьшим, выпуск закончен, шиберы 2 закрывают отверстия отвода рабочей среды и открывают отверстия подвода - начинается новый замкнутый газовый цикл.

Избыточная температура ротора 4, его торцевых шайб 5 и 6 и шиберов 2 отводится воздухом, подаваемым в каналы 11 корпуса 9, и далее распределяется по каналам 12 и 13 ротора 4, шиберов 2 и торцевых шайб 5 и 6. Отработавший охлаждающий воздух выходит через сквозные радиальные каналы 13 торцевых шайб 5 и 6 и далее через выпускные каналы корпуса 9 к теплообменнику (окружающую среду). Избыточная температура статора 1 и корпуса 9 отводится в окружающую среду посредством системы ребер охлаждения 10.

Избыточная температура статора 1 и корпуса 9 может отводиться и жидкостной системой охлаждения. Для увеличения термического КПД роторной машины, выполненной как ДВС, можно не иметь систему охлаждения, при этом детали, подверженные тепловым нагрузкам в этом случае, выполняются из металлокерамических материалов по известным технологиям.

Роторная машина может работать в схеме комбинированного двигателя.

Сущность изобретения: в статоре с профилированной внутренней поверхностью на валу размещен цилиндрический ротор с пазами и шиберами. На роторе закреплены торцевые шайбы, диаметр которых превышает максимальный размер статора, имеющие глухие пазы, совпадающие с пазами ротора, в которых установлены шиберы. На торцах статора размещены уплотнительные кольца, поджатые к внутренним поверхностям шайб. Профиль статора в поперечном сечении выполнен в форме локальной кривой, описанной одной или несколькими овоидноподобными кривыми, исходящими из общего центра координат, совпадающего с центром ротора. Система охлаждения выполнена в виде каналов в шайбах, роторе и шиберах. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Роторная машина, содержащая корпус, статор с профилированной внутренней поверхностью, размещенный в нем на валу цилиндрический ротор с пазами, в которых установлены шиберы, отверстия подвода и отвода рабочей среды и систему охлаждения, отличающаяся тем, что машина снабжена двумя торцевыми шайбами, закрепленными на роторе, диаметр которых превышает максимальный размер статора, при этом каждая шайба со стороны ротора имеет глухие пазы, совпадающие с пазами ротора, в которых установлены шиберы, а также уплотнительными кольцами, расположенными на торцах статора и поджатыми к внутренним поверхностям шайб. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что профиль статора в поперечном сечении выполнен в форме локальной кривой, описанной одной или несколькими овоидноподобными кривыми, исходящими из общего центра координат, совпадающего с центром ротора. 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что система охлаждения выполнена в виде каналов в корпусе, ответных сквозных осевых каналов в торцевых шайбах и роторе и сообщенных с ними радиальных и осевых каналов торцевых шайб, ротора и шиберов. 4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что на валу установлены маховик и демпфирующее устройство.