РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК F02B53/08 F02B11/00 F01C3/00 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению.

Изобретение направлено на решение задачи увеличения рабочего ресурса двигателя, улучшения его охлаждения и смазки.

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 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 примыкающими к лопаткам выполнены впускные и выпускные окна, причем сферическая центральная часть выполнена в форме шаровой опоры, жестко закрепленной в центральной части диска и сопряженной с выемками в конусах. А также 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 шаровой камере выполнены в зоне их совмещения. В качестве ДВС машина снабжена общим корпусом и дополнительным ротором, шаровая камера которого сообщена посредством полой перемычки с выполненной в ней камерой сгорания с шаровой камерой первого ротора (Патент РФ 2084640, Бюл. 20.07.97 г.).

Недостатком данного технического решения является наличие поворотных уплотнений в дисках, с износом трущихся поверхностей уплотнений о лопатки, с нарушением герметичной изоляции объемов, разделяемых дисками, что уменьшает рабочий ресурс двигателя.

Отсутствие сфер ухудшает условия охлаждения и смазки и увеличивает износ уплотнений за счет высоких механических потерь на трение, связанных с вращением конусов и лопаток относительно внутренней поверхности корпуса.

Известен также роторный двигатель, содержащий корпус, снабженный двумя роторами, шаровые камеры которых сообщены полой перемычкой с выполненной в ней камерой сгорания, причем каждый ротор содержит диск, установленный в диагонально расположенной канавке на внутренней стороне корпуса, с примыкающими к корпусу, к рабочей поверхности сферы и к диску конусами, вершины которых с выполненными в них выемками сопряжены с шаровой опорой, в которой расположены окна в зоне их совмещения с окнами в шаровой камере, с образованием первого и второго объемов, разделенных диском, жестко связанным с шаровой опорой и со сферой, между которыми установлены две лопатки в поворотных соединениях, жестко связанные с конусами, в которых примыкающими к лопаткам выполнены окна, а в шаровых опорах на осях поворотных соединений жестко закреплены скользящие элементы, установленные в канавки, выполненные на внешних поверхностях шаровых камер параллельно лопаткам (Заявка N 97118401 от 05.11.97 г.).

Недостатком данного технического решения является то, что поворотные соединения имеют трущиеся о лопатки поверхности, после износа которых нарушается герметичность и работа объемов, разделяемых диском в компрессоре, из-за проникновения при сжатии топлива в объем окислителя и наоборот, а также трудность охлаждения и смазки лопаток в рабочем роторе. Все это значительно уменьшает рабочий ресурс двигателя. Это решение принято за прототип.

Изобретение направлено на решение задачи устранения недостатков аналога и прототипа путем замены поворотных уплотнений на шарнирные соединения в дисках, с увеличением прочности лопаток, уменьшением механических потерь, улучшением охлаждения и смазки и на увеличение рабочего ресурса двигателя.

Техническим результатом от использования изобретения является увеличение рабочего ресурса двигателя за счет замены поворотных уплотнений в дисках шарнирными соединениями с упрочнением лопаток путем их утолщения и придания им ребер жесткости и охлаждения со стороны окон в конусах, с уменьшением механических потерь за счет уменьшения трения лопаток о сферы и шаровые опоры, с улучшением их смазки и охлаждения за счет увеличения охлаждаемой площади лопаток с принудительной циркуляцией газокапельной смеси через радиатор, а также улучшение герметичности и получение необходимой степени сжатия в компрессоре не ниже, чем у дизелей, за счет улучшения раздельного сжатия топлива и окислителя и разделения рабочего хода и выпуска в рабочем роторе с улучшением их изоляции шарнирным соединением в дисках. Возможность использования любых видов жидкого и газового топлива с полным их сгоранием в горячей, проточной (без застойных зон) камере сгорания в присутствии катализатора, с последующим расширением и совершением работы до более низкого давления и температуры, в большем по объему, чем компрессор, рабочем роторе со значительно более высоким КПД, рабочем ресурсе и удельной мощности выше, чем например у поршневых двигателей, за счет малых механических потерь, большого крутящего момента и отсутствия факторов, препятствующих развитию высоких оборотов, таких как зажигание, впрыск топлива и необходимость их опережения. По уровню шума, вибрации и вредности выбросов двигатель может соответствовать самым строгим экологическим нормам за счет выпуска отработанного газа при низком давлении и его полного сгорания.

Указанный технический результат достигается за счет того, что двигатель содержит корпус, снабженный двумя роторами, шаровые камеры которых жестко связаны с конусами и сообщены полой перемычкой с выполненной в ней камерой сгорания, причем каждый ротор содержит диск. установленный в диагонально расположенной канавке на внутренней стороне корпуса с образованием первого и второго объемов, разделенных диском, жестко связанным с шаровой опорой с выполненными в ней окнами в зоне совмещения с окнами в шаровой камере и сферой с примыкающими к ее рабочей поверхности и к шаровой опоре лопатками, установленными в диске и в конусах, в которых примыкающими к лопаткам выполнены окна, а на внешней поверхности шаровой камеры выполнены канавки параллельно лопаткам с установленными в них направляющими элементами, оси которых выполнены в шаровой опоре. Лопатки закреплены в диске шарнирно, а в конусах - с возможностью их возвратно-поступательных перемещений.

Технический результат достигается также тем, что торцы лопаток, кромки сфер и внешняя поверхность конусов выполнены примыкающими к корпусу, а по обе стороны линий примыкания корпуса к конусам выполнены впускные и выпускные окна, сообщенные с радиатором.

Заявленный роторный двигатель отличается от прототипа тем, что лопатки в дисках закреплены шарнирно, а в конусах - с возможностью возвратно-поступательных перемещений. Кроме того, двигатель отличается от прототипа тем, что торцы лопаток, кромки сфер и внешние поверхности конусов выполнены примыкающими к корпусу, причем по обе стороны линий примыкания корпуса к конусам выполнены впускные и выпускные окна, сообщенные с радиатором.

Двигатель, содержащий корпус, снабженный двумя роторами, шаровые камеры которых жестко связаны с конусами, сообщены полой перемычкой с выполненной в ней камерой сгорания, позволяет использовать один ротор в качестве компрессора (заполнение и сжатие), а другой ротор - в качестве рабочего ротора (рабочий ход и выпуск). Такое разделение функций роторов позволяет с меньшими механическими потерями и с большей эффективностью обеспечивать заполнение и раздельное сжатие топлива и окислителя в холодном компрессоре, а рабочий ход и выпуск - в горячем рабочем роторе, совместить концы тактов сжатия в объемах топлива и окислителя в компрессоре с началом рабочего хода в рабочем роторе через неохлаждаемую камеру сгорания с одновременной подачей в нее топлива и окислителя в присутствии катализатора, с полнотой сгорания любого вида топлива, а горячему ротору с большим рабочим объемом, чем в компрессоре, совершать работу до более низкого давления и температуры газа, с высоким КПД, с незначительным шумом или отсутствием шума при выпуске. Каждый ротор содержит диск, установленный в диагонально расположенной канавке на внутренней стороне корпуса, с образованием первого и второго объемов, разделенных диском, жестко связанным с шаровой опорой с выполненными в ней окнами в зоне совмещения с окнами в шаровой камере и сферой, что позволяет посредством диагонально установленных дисков в корпусе обеспечить герметичное совмещение поверхностей дисков и конусов по линиям их смыкания, герметично совместить внешние и внутренние окружности конусов и лопаток с рабочими поверхностями сфер и шаровых опор, образовать герметично разделенные диском объемы для топлива и окислителя в компрессоре, совмещать и перекрывать окна в шаровых опорах и в шаровых камерах в соответствии с фазами газораспределения за счет жесткой связи дисков с шаровыми опорами. Сопряжение лопаток, установленных в диске и в конусах, в которых примыкающими к лопаткам выполнены окна, с рабочей поверхностью сферы и шаровой опорой, позволяет образовывать переменные объемы практически от нуля до максимальных с заполнением рабочих объемов в компрессоре и вытеснением рабочего тела из объемов в рабочем роторе через окна в конусах, примыкающих к лопаткам. На внешней поверхности шаровой камеры выполнены канавки параллельно лопаткам с установленными в них направляющими элементами, оси которых выполнены в шаровой опоре, что позволяет увеличить рабочий ресурс двигателя за счет переноса механической нагрузки дисков с лопаток на шаровые камеры, жестко связанные с конусами посредством направляющих элементов, установленных в канавки на шаровых камерах. Лопатки в диске закреплены шарнирно, а в конусах - с возможностью их возвратно-поступательных перемещений, что позволяет более герметично изолировать объемы, разделенные диском, за счет замены поворотных уплотнений на шарнирные соединения, которые обеспечивают более герметичную изоляцию объемов топлива и окислителя между собой и рабочий ход от выпуска в рабочем роторе, увеличить время до износа, а также выполнить лопатки прочнее, значительно уменьшить их трение о сферы и шаровые опоры за счет устранения их возвратно-поступательных движений относительно поверхностей сфер и шаровых опор, улучшения смазки, обеспечить охлаждение и смазку двигателя за счет большей площади охлаждения и смазки лопаток в результате их возвратно-поступательных перемещений за пределы внешних поверхностей конусов. Торцы лопаток, кромки сфер и внешняя поверхность конусов выполнены примыкающими к корпусу, причем по обе стороны линий примыкания корпуса к конусам выполнены выпускные и впускные окна, сообщенные с радиатором, что позволяет использовать переменные объемы, образуемые при вращении роторов, для смазки и охлаждения рабочих поверхностей сфер, лопаток и конусов путем принудительной циркуляции газокапельной смеси через радиатор.

На фиг. 1 изображен роторный двигатель - продольный разрез.

На фиг. 2 - сечение А-А - поперечный разрез окон охлаждения.

На фиг. 3 - сечение Б-Б - шарнирное соединение лопатки с диском.

На фиг. 4 - сечение В-В - компрессор - поперечный разрез.

На фиг. 5 - диаграмма фаз газораспределения.

Роторный двигатель содержит корпус 1 с выполненными в нем диагонально расположенными канавками 2 и 3, с установленными в них дисками 4 и 5, с закрепленными на них сферами 6 и 7, которые сопряжены своими рабочими поверхностями с внешними окружностями конусов 8, 9, 10 и 11, которые своими вершинами в роторах 12 и 13 сопряжены с шаровыми опорами 14 и 15, с расположенными внутри них шаровыми камерами 16 и 17, соединенными между собой полой перемычкой 18 с выполненной в ней камерой сгорания 19 с каталитической внутренней поверхностью 20. Камера сгорания сообщена окнами 21, 22, 23 и 24 в зоне их совмещения с окнами 25, 26, 27 и 28 в шаровой опоре 14, жестко закрепленной в диске 4.

В шаровой камере 17 камера сгорания сообщена окнами 29, 30, 31 и 32 в зоне их совмещения с окнами 33, 34, 35 и 36 в шаровой опоре 15. В дисках 4 и 5 установлены лопатки 37, 38, 39 и 40 с шарнирными соединениями 41, 42, 43 и 44, соосно с которыми на осях в шаровых опорах установлены направляющие элементы 45, 46,47 и 48, установленные в канавки 49, 50, 51 и 52, выполненные на внешних поверхностях шаровых камер 16 и 17. В конусах 8 и 9 примыкающими к лопаткам 37 и 38 выполнены впускные окна 53, 54, 55 и 56 ротора 12, а в конусах 10 и 11 примыкающими к лопаткам 39 и 40 выполнены выпускные окна 57, 58, 59 и 60 ротора 13. В роторе 12 выполнен коллектор окислителя 61, который через пустотелый вал 62 с вращающимся соединением 63 сообщен с впускными окнами 53 и 56 рабочего объема окислителя 64, и топливный коллектор 65, который через пустотелый вал 62 с вращающимся соединением 66 сообщен с окнами 54 и 55 топливного рабочего объема 67. Коллектор 68 отработанных газов в роторе 13 сообщен с выпускными окнами 57, 58, 59 и 60 рабочих объемов 70 и 71, с шаровой камерой 17 и с пустотелым валом 69 отбора мощности. В корпусе 1 с каждой стороны от линий 72 его примыкания к внешней поверхности конусов 8, 9, 10 и 11 выполнены впускные окна 73 и выпускные окна 74, сообщенные через радиатор 75 с возможностью циркуляции. Двигатель также содержит систему смазки, состоящую из емкости для смазки с трубопроводами (на чертеже не показано), которые сообщены с диагональными канавками 2 и 3, с каналами 76, выполненными в дисках 4 и 5, в шаровых опорах 14 и 15, в шаровых камерах 16 и 17, в перемычке 18, в вале 62 с вращающимся соединением 77, а также с впускными окнами 73 и дренажными отверстиями 78 в корпусе 1.

Роторный двигатель работает следующим образом.

При запуске двигателя и вращении роторов 12 и 13 лопатки 37 и 38 ротора 12, проходя линии смыкания диска 4 с конусами 8 и 9, образуют объемы окислителя 64 и топлива 67 и разрежение в них. Разрежение через окна 53, 54, 55 и 56 заполняет эти объемы компрессора окислителем и топливом. За один оборот ротора 12 оба объема 64 и 67 заполняются. Затем лопатки 37 и 38 за 180 градусов до линии смыкания диска 4 с конусами 8 и 9 начинают сжатие объемов 64 и 67, и по мере приближения лопаток 37 и 38 к линиям смыкания и достижения необходимой степени сжатия в этих объемах окна 25 и 27 в шаровой опоре 14 совмещаются с окнами 21 и 23 в шаровой камере 16 и сжатые окислитель из объема 64 и топливо из объема 67 одновременно устремляются в камеру сгорания 19, где воспламеняются при смешении от сжатия и горят в присутствии катализатора 20, покрывающего стенки камеры сгорания 19. При этом окна 29 и 31 в шаровой камере 17 совмещены с окнами 33 и 35 в шаровой опоре 15, и высокое давление из камеры сгорания 19 устремляется в образуемые рабочие объемы 70 и 71 ротора 13 с началом рабочего хода в этих объемах. Вместе с этим лопатки 37 и 38 в роторе 12 достигают линий смыкания, и окна 25 и 27 в шаровой опоре 14 размыкаются с окнами 21 и 23 в шаровой камере 16, а в объемах 70 и 71 ротора 13 продолжается рабочий ход с симметричным приложением сил на лопатки 39 и 40, с приближением которых к 180 градусам поворота ротора 13 от линии смыкания окна 29 и 31 в шаровой опоре 15 и окна 33 и 35 в шаровой камере 17 размыкаются, а оставшееся небольшое давление запирается в камере сгорания 19. Затем выпускные окна 57 и 59 в конусах 10 и 11 пересекают линии смыкания, и отработанные газы из объемов 70 и 71 устремляются в эти окна с небольшим давлением, не создавая большого шума за счет расширения газа при совершении работы на значительно больший объем, чем объем сжатия в компрессоре ротора 12. Вместе с этим в компрессоре ротора 12 закончилось сжатие второй половины его рабочего объема, и окна 26 и 28 шаровой опоры совместились с окнами 22 и 24 шаровой камеры 16, окислитель из объема 64 и топливо из объема 67 устремляются в камеру сгорания 19, горят в присутствии катализатора 20 и устремляются далее в окна 30 и 32 в шаровой камере 17 в совмещенные с ними окна 34 и 36 в шаровой опоре 15 с началом рабочего хода, вместе с которым окна 58 и 60 прошли линии смыкания, и отработанный газ через эти окна устремляется в выпускные коллекторы 68. Далее все повторяется.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания. Изобретение позволяет повысить КПД, ресурс, удельную мощность, защиту экологии. Двигатель включает в себя корпус 1 с диагонально расположенными канавками 2 и 3, с дисками 4 и 5, с закрепленными на них сферами 6 и 7, сопряженными с конусами 8, 9, 10 и 11, роторы 12 компрессора и 13 рабочего ротора, закрепленные в дисках шаровые опоры 14 и 15, внутри них шаровые камеры 16 и 17, соединенные полой перемычкой 18 с камерой сгорания 19, с катализатором 20. В камере сгорания выполнены окна 21, 22, 23 и 24, совмещаемые с окнами 25, 26, 27 и 28, и окна 29, 30, 31 и 32, совмещаемые с окнами 33, 34, 35 и 36. В дисках 4 и 5 установлены подвижно закрепленные в конусах 8, 9, 10 и 11 лопатки с шарнирными соединениями с направляющими элементами, установленные в канавках и на внешних поверхностях шаровых камер 16 и 17. В роторе 12 выполнены впускные окна 53, 54, 55 и 56, а в роторе 13 выполнены выпускные окна 57, 58, 59 и 60. В роторе 12 выполнен коллектор 61 окислителя, сообщенный через вал 62 с вращающимся соединением 63 и окнами 53 и 56 объема окислителя 64, и топливный коллектор 65, который через вал 62 с вращающимся соединением 66 сообщен окнами 54 и 55 топливного объема 67. Коллектор отработанных газов 68 сообщен через вал 69 и камеру 17 с выпускными окнами 57, 58, 59 и 60 объемов 70 и 71. В корпусе 1 с каждой стороны от линии 72 выполнены впускные окна 73 и выпускные окна с возможностью циркуляции газокапельной смеси через радиатор. Двигатель также содержит каналы смазки 76, вращающееся соединение 77 и дренажные отверстия 78 в корпусе 1. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Двигатель, содержащий корпус, снабженный двумя роторами, шаровые камеры которых жестко связаны с конусами, сообщены полой перемычкой с выполненной в ней камерой сгорания, причем каждый ротор содержит диск, установленный в диагонально расположенной канавке на внутренней стороне корпуса с образованием первого и второго объемов, разделенных диском, жестко связанным с шаровой опорой, с выполненными в ней окнами в зоне совмещения с окнами в шаровой камере и сферой с примыкающими к ее рабочей поверхности и к шаровой опоре лопатками, установленными в диске и в конусах, в которых примыкающие к лопаткам выполнены окна, а на внешней поверхности шаровой камеры выполнены канавки параллельно лопаткам с установленными в них направляющими элементами, оси которых выполнены в шаровой опоре, отличающийся тем, что лопатки закреплены в дисках шарнирно, а в конусах - с возможностью их возвратно-поступательных перемещений. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что торцы лопаток, кромки сфер и внешняя поверхность конусов выполнены примыкающими к корпусу, а по обе стороны линий примыкания корпуса к конусам выполнены впускные и выпускные окна, сообщенные с радиатором.