УНИВЕРСАЛЬНАЯ МАШИНА Российский патент 2001 года по МПК F01C1/00 F02B53/00 

Изобретение относится к энергомашиностроению и без существенных изменений может использоваться как в качестве двигателя, так и в качестве пневмо или гидромашины для привода вспомогательных механизмов.

Известен роторный двигатель/насос, содержащий одну или несколько пар роторов с выступами и углублениями на роторах, которые находятся в уплотнительном контакте и установлены на параллельных валах. В корпусе двигателя выполнена камера сгорания, сообщающаяся с роторами через выпускное отверстие. В сочетании с корпусом камера сгорания имеет охлаждающее устройство. На каждом роторе выполнено несколько отходящих наружу выступающих элементов и несколько камер, отходящих внутрь ротора от его цилиндрической поверхности (Патент США N 5154149, F 02 В 53/00, том 1143, N3).

Недостатком известного двигателя является наличие уплотнительного контакта между роторами, что исключает возможность использовать тяжелые сорта или твердые топлива. Для достижения большей мощности необходимо увеличить габариты двигателя. При неравномерном (пульсирующем) сгорании топлива двигатель будет работать рывками.

Известна универсальная объемная роторная машина, выбранная в качестве прототипа, содержащая корпус, установленные на корпусе торцовые крышки с окнами, связанные с входными и выходными магистралями, расположенные в корпусе синхронно вращающиеся роторы с ограниченными дугами окружностей профилем. Каждый ротор содержит два радиальных уплотнения, расположенных в его теле (А.с. N 1446345, F 01 С 1/08, 23.12.88, Бюл. N 47).

Недостатком известной машины является наличие трущихся частей, что не дает возможность использовать тяжелые сорта топлив, сложность конструкции, тактность в работе (такт сжатия требует частичного расхода мощности). Кроме того, компоновка зубчатой передачи не дает возможности получать большой крутящий момент и, таким образом, для достижения большей мощности необходимо либо увеличивать габариты двигателя, либо увеличить степень форсирования.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании простой и надежной универсальной машины большой мощности при малых размерах, способной работать на топливах разного вида - газообразных, жидких, твердых, смешанных и экологически чистых.

Технический результат, заключающийся в снижении эксплуатационных расходов на топливо и масло, удешевлении производства деталей и упрощении сборки машины, достигается тем, что универсальная машина, содержащая корпус с установленными на нем торцовыми крышками и расположенные в корпусе синхронно вращающиеся роторы, дополнительно снабжена камерой сгорания, прикрепленной к одной из торцевых крышек и составляющей с ней единую деталь, внутри корпуса размещена вставная секция, образующая с этой крышкой расширительную камеру с центральным конусом и газовые каналы, в начале которых установлены сопловые аппараты, при этом в центре торцевой крышки выполнено отверстие, являющееся соплом камеры сгорания, расположенное перед вершиной центрального конуса расширительной камеры, а роторы выполнены в виде лопастных колес с неподвижными изогнутыми лопастями, передающих вращение маховику посредством зубчатой передачи с внутренним зацеплением.

Кроме того, сопловые аппараты могут быть выполнены поворотными и представлять собой цилиндры с вертикальными сквозными прорезями постоянного сечения, являющимися щелевыми соплами.

Кроме того, лопастные колеса с торцев могут быть закрыты дисками, на которых установлены лабиринтные уплотнения.

Кроме того, маховик может быть выполнен с внутренним зубчатым венцом.

Кроме того, камера сгорания может быть снабжена разгрузочным и предохранительным клапанами.

Кроме того, корпус, корпусные детали, лопастные колеса и сопловые аппараты могут быть изготовлены из металлокерамики.

На фиг.1 представлен вид машины сбоку в разрезе; на фиг.2 - вид спереди, сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 изображен сопловой аппарат; на фиг.4 - рабочее колесо.

Универсальная машина состоит из камеры сгорания 1, представляющей собой полую сферу, прикрепленную к центру торцовой крышки 2, и составляющую с ней единую деталь. На корпусе камеры сгорания 1 по бокам (можно в вертикальной плоскости) установлены разгрузочный 3 и предохранительный 4 клапаны. Разгрузочный клапан 3 срабатывает при создании в камере сгорания 1 разрежения, т. е. при прекращении подачи топлива во время работы двигателя или при проворачивании неработающего двигателя. Предохранительный клапан 4 срабатывает в случае повышения давления сгорания топлива в камере сгорания 1 выше предельно допустимого. При этом посредством привода (на схеме не показан) осуществляется прекращение подачи топлива в камеру сгорания 1. Так же предохранительный клапан 4 может выполнять роль демпфера давления при неравномерном сгорании топлива. В центре корпуса камеры сгорания 1 имеется отверстие 5, предназначенное для установки устройства подачи топлива и воздуха. Подающим устройством может быть любое устройство, способное одновременно подавать и распылять топливо вместе с воздухом. При этом количество воздуха, подаваемого в единицу времени, должно быть достаточным для полного сгорания топлива, поданного за то же время. Вместо подающего устройства может быть использовано любое другое устройство, способное генерировать большое количество газа любым из известных в настоящее время способов. В центре торцовой крышки 2 имеется отверстие 6, являющееся соплом камеры сгорания 1. Торцевая крышка 2 крепится к корпусу 7, внутри которого размещена вставная секция 8, образующая с этой крышкой 2 расширительную камеру 9 с центральным конусом 10 и газовые каналы 11, в которых установлены поворачивающиеся сопловые аппараты 12 и рабочие колеса 13. Сопло 6 расположено перед вершиной центрального конуса 10 расширительной камерой 9 и выполняет роль направляющего сопла и дросселя, частично снижающего давление и выравнивающего давление потока истекающих из камеры сгорания 1 газов в случае неравномерного или прерывистого сгорания топлива. Сопловые аппараты представляют собой цилиндры с двумя вертикальными сквозными прорезями, образующими каналы постоянного сечения. На торцах цилиндров 12 установлены лабиринтные уплотнения, а из одного торца выходит ось, имеющая на свободном конце посадочное место для поворотного рычага 14. Сопловые аппараты 12 установлены в начале газовых каналов 11 без радиального зазора по бокам, но с возможностью вращения вокруг своей оси. Торцы сопловых аппаратов 12 вставлены в круглые углубления в секции 8 торцовой крышки 2. Сопловый аппарат работает как поворотное направляющее сопло, приводимое в действие посредством поворотного рычага 14, установленного на конце оси, выходящей из торца соплового аппарата и проходящей через сквозное отверстие в крышке 2 (фиг.3). Сопловые аппараты 12 предназначены для изменения направления движения газовой струи, подаваемой на лопатки рабочих колес 13 и для перекрытия газовых каналов 11. Рабочие колеса 13 (фиг.4) представляют собой лопастное колесо с изогнутыми лопастями и с торцов закрытое дисками, причем диск со стороны торцевой крышки 2 сплошной, а диск со стороны секции 8 имеет центральное отверстие диаметром, равным диаметру внутреннего отверстия ступицы колеса 13. На торцах рабочих колес 13, в углублениях торцовой крышки 2 и секции 8 установлены лабиринтные уплотнения. Рабочие колеса посажены на валы 15, имеющие на месте посадки ребра 16, предназначенные для обеспечения зазора между валом 15 и ступицей колеса 13. Зазор необходим для охлаждения внутренней полости ступицы колеса 13 и наружной поверхности вала 15. Противоположные концы валов 15 опираются на подшипники 17 и 18, установленные в корпусе 7. Между подшипниками 17 и 18 на валах 15 установлены шестерни 19, которые посредством зубьев входят в зацепление с внутренними зубьями зубчатого венца маховика 20. Наружный диаметр шестерен 19 равен 1.0-0.75 наружного диаметра рабочих колес 13. Маховик 20 посажен на вал 21, который опирается на подшипники 22 и 23, установленные в корпусе 7 и задней крышке 24. Шестерни 19 и маховик 20 с зубчатым венцом внутреннего зацепления образуют простейшую зубчатую передачу с постоянным передаточным отношением, высоким КПД и малыми габаритами, при этом такая компоновка позволяет создавать на валу отбора мощности 21 большой крутящий момент. Торцевая крышка 24 крепится к корпусу 7 и образует с ней полость редуктора.

В машине валы 15, шестерни 19, маховик и вал 20 и 21, подшипники 17, 18, 22 и 23 предполагается изготавливать из металла, а все остальные детали - из металлокерамики, керамики и ситаллов.

Машина работает следующим образом:
Топливо и воздух подаются в камеру сгорания 1 посредством подающего устройства, либо посредством газогенератора, способного генерировать большое количество газа с высоким давлением. Топливовоздушная смесь воспламеняется посредством запального устройства, установленного в камере сгорания 1 (не показано). Газы, образующиеся в результате сгорания топлива, из камеры сгорания 1 через сопло 6 поступают в расширительную камеру 9, где происходит их окончательное догорание, и через сопловые аппараты 12 поступают на лопатки рабочих колес 13. Под действием истекающих газов рабочие колеса 13 вращаются и через вал 15 и шестерни 19 передают вращение маховику 20, который через вал 21 приводит в действие потребитель. Сопловые аппараты 12 работают как направляющие щелевые сопла, посредством которых осуществляется изменение направления движения струи истекающих газов, подаваемых на лопатки рабочих колес 13. Нулевым положением считается положение, при котором горизонтальная осевая линия центральной лопатки соплового аппарата 12 проходит через центр двигателя, т. е. через центр центрального конуса 10. Рабочими положениями считаются положения горизонтальной оси центральной лопатки 0-30^o против часовой стрелки. При повороте соплового аппарата в положение 55^o по часовой стрелке центральная лопатка перекрывает газовый канал, при повороте соплового аппарата в положение 75^o против часовой стрелки происходит торможение рабочего колеса 13 посредством истекающих газов. Положения 55^o по часовой стрелке и 75^o против часовой стрелки являются крайними.

Таким образом, отсутствие трущихся деталей в предлагаемой конструкции, таких как цилиндрово-поршневые группы и кривошипно-шатунные механизмы, позволяет производить двигатели с большим моторесурсом и использовать дешевые сорта смазочного масла с минимальным их расходом, позволяет использовать любой вид топлива, что уменьшает эксплуатационные расходы на топливо за счет использования металлокерамики в большинстве основных деталей, снижается потребность в металле. Кроме того, отсутствуют регулировки при сборке и эксплуатации машины.

Изобретение относится к энергомашиностроению и может использоваться как в качестве двигателя, так и в качестве пневмо- или гидромашины для привода вспомогательных механизмов. Универсальная машина содержит корпус с установленными на нем торцевыми крышками и синхронно вращающиеся роторы, дополнительно снабжена камерой сгорания, прикрепленной к одной из крышек и составляющей с ней единую деталь. Внутри корпуса размещена вставная секция, образующая с этой крышкой расширительную камеру с центральным конусом и газовые каналы, в начале которых установлены поворотные сопловые аппараты. В центре торцевой крышки выполнено отверстие, являющееся соплом камеры сгорания, расположенное перед вершиной центрального конуса расширительной камеры. Роторы выполнены в виде лопастных колес с неподвижными изогнутыми лопастями, передающих посредством зубчатой передачи с внутренним зацеплением вращение маховику. Снижаются эксплуатационные расходы на топливо и масло, удешевляется производство деталей и упрощается сборка машины. 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Универсальная машина, содержащая корпус с установленными на нем торцевыми крышками и расположенные в корпусе синхронно вращающиеся роторы, отличающаяся тем, что машина дополнительно содержит камеру сгорания, прикрепленную к одной из торцевых крышек и составляющую с ней единую деталь, внутри корпуса размещена вставная секция, образующая с этой крышкой расширительную камеру с центральным корпусом и газовые каналы, в начале которых установлены сопловые аппараты, при этом в центре торцевой крышки выполнено отверстие, являющееся соплом камеры сгорания, расположенное перед вершиной центрального конуса расширительной камеры, а роторы выполнены в виде лопастных колес с неподвижными изогнутыми лопастями, передающих вращение маховику посредством зубчатой передачи с внутренним зацеплением. 2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что сопловые аппараты выполнены поворотными и представляют собой цилиндры с вертикальными сквозными прорезями постоянного сечения, являющимися щелевыми соплами. 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что лопастные колеса с торцов закрыты дисками, на которых установлены лабиринтные уплотнения. 4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что маховик выполнен с внутренним зубчатым венцом. 5. Машина по п.1, отличающаяся тем, что камера сгорания снабжена разгрузочным и предохранительным клапанами. 6. Машина по п.1, отличающаяся тем, что корпус, корпусные детали, лопастные колеса и сопловые аппараты изготовлены из металлокерамики.