РОТОРНАЯ ОБЪЕМНАЯ МАШИНА Российский патент 2002 года по МПК F01C3/00 

Изобретение относится к классу объемных машин с роторным механизмом и может использоваться как компрессор, пневмомотор или как двигатель внутреннего сгорания.

Известна роторная объемная машина (патент США 4631011 от 23.12.1986), которая состоит из подвижного корпуса со сферической внутренней поверхностью, дисковой мембраной посередине и двумя противоположными отверстиями, через которые в середину корпуса проходят два вала, заканчивающиеся роторами в виде сферических сегментов. Снаружи валы подвижно закреплены в станине под углом друг к другу. От валов отходят вилки, которые подвижно соединены с корпусом таким образом, что вилка и ротор на каждом из валов расположены в одной плоскости, а по отношению к вилке и ротору другого вала они развернуты перпендикулярно. Роторы образуют с корпусом и мембраной четыре камеры переменного объема. При помощи золотников, расположенных в роторах, и каналов в валах, роторах и мембране в этих камерах организуется рабочий процесс, в течение которого попарно противоположные камеры соединяются между собой через мембрану. Объемная машина, выполненная по такой схеме, имеет следующие недостатки. Во-первых, подвижной корпус машины следует защищать от повреждений дополнительным кожухом. Во-вторых, технологически сложно изготовить вал воедино с ротором и вилкой, расположить золотники в роторах, а роторы в корпусе. В-третьих, консольно закрепленные валы испытывают значительные нагрузки. Однако самым главным недостатком является наличие избыточных кинематических связей, количество которых достигает 13. Это накладывает чрезвычайно высокие требования к точности изготовления и сборки машины, а также может привести к значительным силам трения и деформации во время ее работы. Если с целью изменения рабочего объема машины выполнить станину с возможностью изменения угла между осями закрепленных в ней валов, вероятность поломки еще более увеличится.

Известен сферический двигатель с вращающимися поршнями (патент Японии 47-44565, 1970), содержащий неподвижный разъемный корпус с внутренней сферической полостью, впускным, выпускным и перепускным каналами, размещенные в полости два ротора в виде сферических сегментов с валами, которые закреплены в корпусе под углом друг к другу, и расположенный между роторами диск с приливами, которые подвижно соединяются с вершинами роторов, развернутыми перпендикулярно друг к другу. Роторы и диск разделяют полость корпуса на четыре камеры переменного объема, которые попарно соединяются между собой и внешней средой при помощи каналов, реализуя двухтактный рабочий цикл. Технологически этот двигатель проще предыдущей машины: у него корпус неподвижный, валы, закрепленные непосредственно в корпусе, испытывают меньшие нагрузки. Газораспределение выполняется взаимодействием роторов с окнами и каналами в корпусе двигателя. Однако схема двигателя не предусматривает возможности изменения рабочего объема.

Известна объемная роторная гидромашина (патент РФ 2012823 от 15.11.1994, F 01 C 3/00), содержащая две корпусные детали, жестко соединенные между собой по плоскости разъема, в каждой из которых выполнены цилиндрические расточки и общая сферическая полость с центром, лежащим в плоскости разъема, два вала, установленных в расточках на опорах, расположенных под углом друг к другу, с осями, пересекающимися в центре сферической полости, в последней размещены два закрепленных на валах ротора и расположенная между ними дисковая перегородка, образующие со стенками сферической полости рабочие камеры переменного объема, при этом роторы связаны с дисковой перегородкой с образованием шарнира Гука, причем конец одного вала (приводимого) выведен за пределы корпуса, а другого (ведомого) - введен в глухую цилиндрическую расточку, на периферийной поверхности дисковой перегородки и на сферических поверхностях роторов выполнены углубления с образованием камер гидростатической разгрузки и уплотнительных поясков, на торце ведомого вала или в крышке, размещенной со стороны торца этого вала, установлена подвижная втулка или подпятник с образованием полости гидростатической опоры. Указанная втулка повышает подвижность механизма, но в данном исполнении не позволяет изменять рабочий объем машины.

Во многих случаях использования объемных машин желательно изменять их рабочий объем. Указанные машины такой возможности не имеют. Задачей изобретения является создание такой роторной объемной машины, рабочий объем которой можно изменять.

Для достижения задачи предлагается роторная объемная машина, содержащая разъемный корпус, в котором выполнены расточки и сферическая полость, два вала, установленных в расточках, оси которых пересекаются под углом друг к другу в центре сферической полости, в последней размещены два закрепленных на валах ротора и расположенная между ними дисковая перегородка, образующие со стенками сферической полости рабочие камеры переменного объема, при этом роторы подвижно связаны с дисковой перегородкой с образованием шарнира Гука, причем конец одного вала выведен за пределы корпуса, а конец другого вала введен в глухую расточку, отличающаяся тем, что вал, выведенный в глухую расточку корпуса, выполнен эксцентрическим и закреплен в расточке с возможностью поворота, ротор закреплен на нем подвижно с возможностью вращения, причем ось части вала, несущей ротор, и ось части вала, закрепленной в расточке, пересекаются в центре сферической полости.

На фиг. 1 и 2 изображен роторный двигатель внутреннего сгорания с переменным рабочим объемом; на фиг.3 - его фазы газораспределения.

На фиг. 1 и 2 изображен двухтактный роторно-пошневой двигатель, который содержит разъемный корпус 1 со сферической внутренней полостью, внутри которой находятся два ротора 2 и 3 в виде сферических сегментов с дисковой перегородкой (далее диск) 4 между ними. Диск делит внутреннюю полсть двигателя на две части - компрессорную с ротором 3 и рабочую с ротором 2. В корпусе выполнены впускное окно 5 и выпускное окно 6 для компрессорной части, а для рабочей части выполнены впускное окно 7 и выпускное окно 8. Выпускное окно 6 компрессора сообщается с впускным окном 7 рабочей части через продувочный ресивер 9. В роторах выполнены карманы, которые имеют возможность совмещаться с впускными и выпускными окнами, обеспечивая внешние фазы впуска и выпуска из двигателя и фазы внутреннего газообмена - продувки и впуска в рабочую часть. Рабочий ротор 2 закреплен неподвижно на выходном валу 10, который выходит наружу через подшипниковый узел в расточке корпуса. Ротор компрессора 3 размещен на эксцентрическом валу 11 с возможностью вращения. Эксцентрический вал 11 закреплен в глухой расточке корпуса с возможностью поворота. Оси вращения роторов и ось части вала 11, закрепленной в расточке, пересекаются в центре сферической полости. На обеих сторонах диска выполнены полуцилиндрические приливы, сопрягающиеся с вершинами роторов, таким образом, что последние расположены перпендикулярно друг другу и составляют вместе с диском шарнир Гука.

При повороте роторов диск 4 совершает поворотно-колебательное движение между ними, изменяя объемы компрессорных и рабочих камер. С одной стороны диска, в компрессорной части двигателя, карман в роторе 3 открывает впускное окно 5, через которое рабочий газ поступает в одну из компрессорных камер до момента, когда окно 5 снова закроется (фиг.1). В это же время в другой компрессорной камере происходит сжатие поступившего перед этим газа, а когда другой карман ротора 3 открывает выпускное окно 6, сжатый газ из этой компрессорной камеры поступает в ресивер 9. При повороте вала на 180^o камеры меняются местами. С другой стороны диска, в рабочей части двигателя, один карман рабочего ротора 2 открывает выпускное окно 8, начинается фаза выпуска отработавших газов (фиг. 2). Затем ротор 2 открывает своей гранью расположенное рядом впускное окно 7, через которое из ресивера 9 поступает свежий заряд, обеспечивая продувку, а после закрытия выпускного окна 8 - впуск в рабочую камеру. В то же время в другой рабочей камере происходит воспламенение и горение сжатой смеси в камере сгорания, образованной другим карманом ротора, а затем расширение сгоревших газов. При повороте вала на 180^o камеры меняются местами. За один поворот вала рабочий цикл повторяется дважды (по разу для каждой пары камер).

Рабочий объем каждой камеры есть разница между ее наибольшим и наименьшим объемом и зависит от угла α колебания диска, который, в свою очередь, зависит от угла β между осями вращения роторов
α = 2β. (1).
Угол β между осями вращения роторов можно менять, поворачивая эксцентрический вал. При углах, меньше π/6 рад. (30 град.), имеем

где γ - угол эксцентриситета вала;
λ - угол поворота вала;
ϕ - угол между осями расточек в корпусе под валы 10 и 11.

При этом изменяется положение относительно корпуса плоскости, в которой лежат оси вращения роторов, определяющей точки минимального и максимального объема камер. Это приводит к смещению фаз впуска-выпуска. Угол поворота плоскости и смещения фаз
ε = arctg[γsinλ/(ϕ+γcosλ)] (3).
При повороте эксцентрического вала на угол λ уменьшается угол β между осями вращения роторов и угол α колебаний диска в соответствии с формулами (2) и (1). Это приводит к уменьшению рабочего объема и степени сжатия компрессорной и рабочей части. Кроме того, в соответствии с формулой (3) смещаются фазы газроаспределения на угол ε. Графики фаз газораспределения приведены на фиг. 3. Смещение фаз газораспределения приводит к увеличению коэффициента наполнения и удельной мощности двигателя, а также к уменьшению степени сжатия при одновременном увеличении степени расширения, что повышает термодинамический КПД двигателя.

Изобретение может быть использовано в машиностроении, а именно в компрессорах, пневмомоторах и двигателях внутреннего сгорания. Машина содержит разъемный корпус, в котором выполнены расточки и сферическая полость. В расточках установлены два вала, оси которых пересекаются под углом друг к другу в центре сферической полости. В последней размещены два закрепленных на валах ротора и расположенная между ними дисковая перегородка, образующие со стенками сферической полости рабочие камеры переменного объема. Роторы подвижно связаны с дисковой перегородкой с образованием шарнира Гука, причем конец одного вала выведен за пределы корпуса, а конец другого вала введен в глухую расточку. Для того чтобы изменять рабочий объем машины, вал, выведенный в глухую расточку корпуса, выполнен эксцентрическим и закреплен в расточке с возможностью поворота, а ротор закреплен на нем подвижно с возможностью вращения, причем ось части вала, несущей ротор, и ось части вала, закрепленной в расточке, пересекаются в центре сферической полости. При повороте эксцентрического вала в расточке изменяется угол между осями вращения роторов и угол колебаний дисковой перегородки между ними, что приводит к изменению рабочего объема каждой камеры и машины в целом. Кроме этого, смещаются фазы газораспределения, увеличивая коэффициент наполнения машины, а при использовании ее в качестве двигателя внутреннего сгорания уменьшается степень сжатия по отношению к степени расширения, что увеличивает КПД. 3 ил.

Роторная объемная машина, содержащая разъемный корпус, в котором выполнены расточки и сферическая полость, два вала, установленных в расточках, оси которых пересекаются под углом друг к другу в центре сферической полости, в последней размещены два закрепленных на валах ротора и расположенная между ними дисковая перегородка, образующие со стенками сферической полости рабочие камеры переменного объема, при этом роторы подвижно связаны с дисковой перегородкой с образованием шарнира Гука, причем конец одного вала выведен за пределы корпуса, а конец другого вала введен в глухую расточку, отличающаяся тем, что вал, выведенный в глухую расточку корпуса, выполнен эксцентрическим и закреплен в расточке с возможностью поворота, ротор закреплен на нем подвижно с возможностью вращения, причем ось части вала, несущей ротор и ось части вала, закрепленной в расточке, пересекаются в центре сферической полости.