ОБЪЕМНАЯ РОТОРНАЯ МАШИНА Российский патент 2002 года по МПК F01C1/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях двигателей внутреннего сгорания, насосах, компрессорах и других объемных машинах.

Известны двигатели с качательным движением лопаток (а. с. 973878, 1569429, 1399505, 1788305, 1554358, 2054122, Патент Великобритании 1155429, Патент Франции 1261518, Патент США 4194871 и др.). В этих изобретениях в корпусе размещены два ротора в виде втулки с оппозитными лопатками. При вращении роторов между полостями лопаток образуется пространство, которое изменяется в объеме в процессе вращения, благодаря чему появляется возможность создания объемной роторной машины. Все они имеют громоздкие конструкции задания неравномерности скорости вращения роторов.

Известен двигатель внутреннего сгорания по а.с. 1670157, где роторы приводятся во вращение двумя соосными парами шарниров Гука, установленными с возможностью задания неравномерного вращения валов в противофазе, обеспечивая изменение объема межлопаточного пространства по синусоиде. Ось приводного вала и ось роторов не совпадают, при изменении этого расстояния изменются степень сжатия и рабочий объем двигателя. Двигатель имеет громоздкую систему изменения степени сжатия или рабочего объема.

Известна объемная роторная машина Савина по патенту РФ 2016239 (вариант 2), содержащая корпус, размещенные в нем две пары лопастей, закрепленных на полувалах, кинематически связанных посредством первого шарнира Гука с валом отбора мощности и выходного вала, последний выполнен в виде кольца, установленного с возможностью вращения на подшипнике и посредством второго шарнира Гука соединен с выходным валом, который установлен соосно с лопастями. В данном изобретении не предусмотрено изменение степени сжатия или изменение рабочего объема. Данное предложение принято в качестве прототипа.

Предложение расширяет возможность объемной роторной машины за счет введения изменения степени сжатия двигателя внутреннего сгорания, производительности насоса и компрессора в процессе работы машины.

Предложение реализуется за счет того, что в объемной роторной машине с качающимися лопатками, состоящей из двух соосных роторов с двумя оппозитно расположенными лопатками, каждый из которых связан с равномерно вращающимся валом посредством пары шарниров Гука, при этом оси первых полумуфт и полумуфт шарниров промежуточных звеньев-колец развернуты в перпендикулярные плоскости и пересекаются в одной точке, кольца установлены наклонно и обеспечивают неравномерное вращение роторов в противофазе, промежуточные звенья-кольца установлены на качалках с осями шарниров перпендикулярно оси приводного вала и пересекающих ее в точке пересечения осей шарниров, качалки оснащены механизмом наклона для изменения углового положения кольца.

Кинематическая схема объемной роторной машины показана на фиг.1, продольный разрез - на фиг.2, узел шарниров с внешним центральным колесом - на фиг.3.

Объемная роторная машина состоит из приводного вала 1, на котором имеется первая полумуфта 2. Полумуфта посредством шарниров 3 связана с первой обоймой 4, которая шарниром 5, ось которого перпендикулярна оси шарнира 3 и они расположены в одной плоскости, связана с первым кольцом 6. На первом центральном кольце расположены шарниры 7, оси которых лежат в одной плоскости с осью шарнира 5 и перпендикулярны последней. Шарниром 7 первое кольцо 6 связано со второй обоймой 8, которая в свою очередь с помощью шарниров 9, оси которой лежат в одной плоскости с осью шарнира 7 и перпендикулярны последней, связаны со второй полумуфтой 10. Полумуфта 10 жестко связана с первым ротором 11 объемной роторной машины. Оси всех указанных шарниров и валов пересекаются в точке "О", ось приводного вала совпадает с осями роторов.

Первое кольцо 6 расположено в подшипниках 12, установленных в корпусе качалки 13, имеющей дополнительно возможность поворота во вновь введенных шарнирах 14, ось которых перпендикулярна оси приводного вала и проходит через точку пересечения осей шарниров "О".

Качалка 13 механизмом наклона 15 наклоняет первое кольцо 6 на угол α, при равномерном вращении вала 1 ротор вращается с переменной скоростью, лопатки наряду с вращательным движением приобретают качательное движение, а в зависимости от угла α изменяется рабочий объем роторной машины или степень сжатия двигателя внутреннего сгорания. При одном обороте приводного вала происходит два колебательных движения лопаток.

Введение нового признака - изменения углового положения кольца, установленного на качалках с осями шарниров перпендикулярно оси приводного вала и пересекающих ее в точке пересечения осей шарниров, при котором качалки оснащены механизмом наклона для изменения углового положения кольца, является существенным, так как значительно расширяет возможности объемной роторной машины.

Это позволяет изменять степень сжатия двигателя внутреннего сгорания, что в свою очередь позволяет применять различные виды топлив, в т.ч. с различным октановым числом без изменения конструкции двигателя, изменять режим работы двигателя и оптимизировать его экономические, экологические и другие показатели в зависимости от нагрузки и других внешних параметров в процессе работы двигателя.

В насосах и компрессорах это позволяет изменять выходное давление, производительность, скорость подачи и другие параметры в процессе работы без изменения конструкции при существенно лучших удельных показателях по весу, давлению, объему и т.п., чем в прототипе и других существующих конструкциях объемных машин.

Угловое положение ϕ первого ротора 11 при повороте вала 1 на угол ψ определяется по формуле:
ϕ = arctg(tgψ•cos²α).
Продолжение приводного вала 1 проходит внутри роторов 11 и 11' соосно с ними, на нем расположен второй узел шарниров - третья полумуфта 2', которая по аналогии с первым узлом шарниров связана шарниром 3', третьей обоймой 4', шарниром 5', вторым кольцом 6', шарниром 7', четвертой обоймой 8', шарниром 9' с четвертой полумуфтой 10' и является аналогом второй пары шарниров Гука, передает колебательное вращение ротору 11', жестко связанным с полумуфтой 10'.

Второе кольцо 6' установлено на подшипниках 12' в корпусе качалки 13', вращающейся в шарнирах 14'. Качалки 13 и 13' могут быть связаны механизмом 16 и управляться синхронно от одного механизма наклона 15, при этом наклон качалки 13' может быть под углом α′ в одну сторону или α″ в противоположные стороны по отношению к качалке 13, во втором случае применяется механизм 16'. Обе или одна из качалок может быть выставлена в оптимальное наклонное положение, во втором случае другая имеет возможность изменять угловое положение и менять рабочий объем или степень сжатия объемной роторной машины.

Оптимальная сумма углов наклона между осями шарниров 3 и 3', 14 и 14' равна 90^o. Если оси шарниров 14 и 14' лежат в одной плоскости, оси шарниров 3 и 3' лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях.

В исходном положении плоскости лопаток 17 и 17' взаимно перпендикулярны, при вращении приводного вала и при изменении угла наклона качалок 13 и 13' угол может изменяться от β′ град. до (180-β′)град., где β = ϕ-ψ - угол между плоскостями лопаток, β′ - указанный угол при соприкосновении лопаток. Для уменьшения значения угла β′ профили лопаток имеют прорези, которые образуют два сечения профилей лопаток. Первое сечение шириной "е" - без прорези - в корневом сечении - месте соединения лопатки с ротором, выбрано исходя из прочности, второе, шириной "ж" - ограниченное прорезями с двух сторон - месте соприкосновения лопатки со втулкой другого ротора - узкое, выбрано исходя из условия герметичности. За счет того, что одна лопатка своим корневым сечением входит в прорезь другого, достигается увеличение угла поворота роторов (180-β′) и увеличивается рабочий объем роторной машины и степень сжатия двигателя.

Роторы 11 и 11' размещаются в корпусе 19 на подшипниках 21 и 21', на приводном валу 1 установлен маховик 20, на противоположном конце вала 1 может устанавливаться маховик 20'.

Узел шарниров может быть выполнен с расположением кольца в средней части (фиг. 1) и с внешним кольцом (фиг.3). Во втором случае обоймы 4 и 8 одинаковые, продолговатые в поперечном и в виде буквы "З" или "Э" в продольном сечении, установлены встречно для обеспечения вращения вала 1 при наклоне кольца 6 и 6' без задевания элементов конструкции.

Обоймы 4, 8 кольца 6 могут быть выполнены в виде кольца, квадрата в первом или в виде эллипса, ромба, прямоугольника во втором случае с шарнирами в вершинах или серединах сторон.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях двигателей внутреннего сгорания, насосах, компрессорах и других объемных машинах. Объемная роторная машина с качающимися лопатками состоит из двух соосных роторов с двумя оппозитно расположенными лопатками, каждый из которых связан с равномерно вращающимся валом посредством пары шарниров Гука. Оси первых полумуфт и полумуфт шарниров промежуточных звеньев-колец развернуты в перпендикулярные плоскости и пересекаются в одной точке. Кольца установлены наклонно и обеспечивают неравномерное вращение роторов в противофазе. Промежуточные звенья-кольца установлены на качалках с осями шарниров перпендикулярно оси приводного вала и пересекающих ее в точке пересечения осей шарниров. Качалки оснащены механизмами наклона для изменения углового положения кольца. Расширяется возможность машины за счет введения изменения степени сжатия двигателя внутреннего сгорания, производительности насоса и компрессора в процессе работы машины. 3 ил.

Объемная роторная машина с качающимися лопатками, состоящая из двух соосных роторов с двумя оппозитно расположенными лопатками, каждый из которых связан с равномерно вращающимся валом посредством пары шарниров Гука, при этом оси первых полумуфт и полумуфт шарниров промежуточных звеньев-колец развернуты в перпендикулярные плоскости и пересекаются в одной точке, кольца установлены наклонно и обеспечивают неравномерное вращение роторов в противофазе, отличающаяся тем, что промежуточные звенья-кольца установлены на качалках с осями шарниров перпендикулярно оси приводного вала и пересекающих ее в точке пересечения осей шарниров, качалки оснащены механизмами наклона для изменения углового положения кольца.