ОБЪЕМНАЯ МАШИНА Российский патент 2003 года по МПК F01C1/00 

Изобретение относится к области энергетики, а более конкретно к машинам (двигателям внутреннего сгорания, компрессорам, насосам или гидромоторам) объемного сжатия и разрежения, с ротором, совершающим планетарное движение.

Из предшествующего уровня техники известны объемные машины, в которых поперечное сечение рабочей полости статора имеет форму правильного М-угольника, где М=3,4,5..., с прямолинейными или выпуклой формы сторонами, при этом внутри рабочей полости размещен ротор с возможностью планетарного движения относительно оси рабочей полости. Поперечное сечение ротора представляет собой плоскую фигуру с М-1 одинаковыми сторонами, плавно сопряженными между собой, и имеющую ось симметрии М-1 порядка, совпадающую с осью вращения ротора, при этом каждая сторона поперечного сечения ротора представляет собой огибающую взаимодействующих с ротором участков боковой поверхности рабочей полости статора. Существенное преимущество этих объемных машин перед другими, с вращающимся ротором, например двигателем внутреннего сгорания Ванкеля, заключается в том, что, во-первых, участки боковой поверхности ротора одновременно касаются участков поверхности соответственно всех М стенок рабочей полости статора, но при этом контакт с боковой поверхностью рабочей полости осуществляется не одними и теми же участками боковой поверхности ротора, а в некоторой очередности всеми участками боковой поверхности ротора. Во-вторых, в непосредственном соприкосновении с вращающимся ротором находится не вся поверхность каждой боковой стенки рабочей полости, а только часть ее. Последнее обстоятельство позволяет осуществить размещение уплотнительных элементов, обеспечивающих герметичность рабочих камер по боковой поверхности ротора, непосредственно на стенках рабочей полости статора. В наиболее простых случаях герметизация рабочих камер по боковой поверхности ротора обеспечивается прижатием М участков боковой поверхности рабочей полости статора к боковой поверхности ротора. В результате устраняются недостатки, присущие другим известным роторным двигателям и связанные с вибрациями и ускоренным износом уплотнительных элементов, которые установлены на вращающемся роторе. Кроме того, в рассматриваемых объемных машинах за счет снижения трения скольжения при перемещении ротора относительно статора уменьшаются механические потери, а за счет симметричного расположения рабочих камер обеспечивается более равномерное распределение сил, возникающих от давления газов и воздействующих на ротор и особенно на его вал.

Одной из первых публикаций, относящихся к охарактеризованным выше объемным машинам, является патент Польши (PL- 48198, 1964 [1]). В этом патенте описана объемная машина, содержащая снабженный передней и задней торцевыми крышками статор с рабочей полостью, имеющей поперечное сечение в форме правильного М-угольника (треугольника или квадрата, М=3 или 4) с прямолинейными сторонами; ротор, размещенный внутри рабочей полости статора с возможностью планетарного движения относительно оси рабочей полости статора (например, с помощью внутренней планетарной передачи и кривошипного механизма, а именно вала, закрепленного на передней и задней торцевых крышках с возможностью вращения и снабженного эксцентриковым участком, на котором соосно установлен ротор) и образующий в процессе своего движения М рабочих камер переменного объема, расположенных между участками боковой поверхности ротора, которые соприкасаются с участками боковой поверхности рабочей полости, при этом поперечное сечение ротора представляет собой плоскую фигуру с М-1 одинаковыми выпуклыми сторонами, плавно сопряженными между собой, и имеющую ось симметрии М-1 порядка, совпадающую с осью вращения ротора. Каждая сторона поперечного сечения ротора представляет собой огибающую взаимодействующих с ротором участков боковой поверхности рабочей полости статора.

Газотопливораспределительная система описываемой объемной машины выполнена в виде снабженных соответствующими уплотнительными элементами сквозных отверстий в передней и задней торцевых крышках, при этом открытие и перекрытие впускных и выпускных отверстий осуществляется непосредственно самим ротором. Что касается герметизации рабочих камер, то со стороны боковой поверхности ротора она осуществляется с помощью М подвижных элементов, установленных на статоре и прижимаемых к участкам боковой поверхности ротора, а по торцам - с помощью 2М подпружиненных торцевых уплотнительных элементов, прижимаемых к боковым поверхностям ротора. Детальное описание торцевых уплотнительных элементов приведено в патентах РL 48191, 1964 и US 3450107, 1969.

Недостатком такой конструкции объемной машины является малая длительность межремонтного пробега, связанная с быстрым износом торцевых уплотнительных элементов и уплотнительных элементов газотопливораспределительной системы, которые находятся в постоянном контакте с торцевыми поверхностями ротора. Кроме того, описываемая объемная машина характеризуется невысокой надежностью, поскольку герметичность рабочих камер является необходимым условием не только работоспособности машины (обеспечение необходимой степени сжатия и расширения), но и получения высокого коэффициента полезного действия, т.к. протечки снижают кпд машины.

Известна также объемная машина, взятая в качестве прототипа и содержащая разъемный полый статор с внутренней цилиндрической поверхностью, направляющая которой имеет форму линии, ограничивающей квадрат (М=4) со скругленными углами, переднюю торцевую крышку, на которой с возможностью вращения и соосно оси полости статора установлен вал, распределительный механизм, размещенный в полом цилиндрическом корпусе, заднюю торцевую крышку, герметично установленную на полом статоре, и ротор, размещенный в полости статора эксцентрично и с возможностью планетарного движения относительно ее оси. Поперечное сечение ротора представляет собой плоскую фигуру с тремя (М-1) выпуклыми дугообразными сторонами, которые сопряжены между собой одинаковыми дугами, соответствующими окружностям меньшего диаметра. Центры трех групп концентрических окружностей, соответствующих каждой паре противолежащих дуг, а именно каждой дугообразной стороне поперечного сечения ротора и дуги скругления противолежащей ей вершины, совпадают с соответствующими вершинами равностороннего треугольника, центр тяжести которого является осью симметрии третьего порядка (М-1) поперечного сечения ротора. Распределительный механизм выполнен в виде вращающегося цилиндрического золотника, установленного соосно валу и кинематически связанного с ним. Цилиндрический золотник посредством четырех сквозных отверстий, выполненных в полом цилиндрическом корпусе, связан соответственно с каждой из четырех рабочих камер переменного объема, образующихся в процессе движения ротора между его боковой поверхностью и внутренней цилиндрической поверхностью статора в зоне каждого из четырех скругленных углов внутренней цилиндрической полости статора. Полый цилиндрический корпус, с одной стороны, жестко соединен с передней торцевой крышкой, а с другой стороны - с полым статором (см. патент US 4.462.774, 1984 [2]).

Недостатком взятой за прототип объемной машины является сложность конструкции, связанная, во-первых, с необходимостью изготовления сопряженных деталей распределительного механизма с высокой точностью, а во-вторых с необходимостью выполнения полого статора разъемным. Кроме того, консольное размещение ротора на валу, а также большое число сопряженных деталей, образующих рабочие камеры (задняя торцевая крышка, два элемента полого статора, полый цилиндрический корпус распределительного механизма) существенно снижают надежность объемной машины и делают проблематичным получение высокого стабильного во времени кпд из-за сложности выполнения эффективного уплотнения рабочих камер.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по повышению надежности торцевой уплотнительной системы рабочих камер объемной машины при одновременно повышении степени сжатия рабочего тела и упрощении конструкции, во-первых, за счет изменения конструкции золотникового распределительного механизма, дисковые золотники которого дополнительно выполняют функцию элементов радиальной бесконтактной торцевой уплотнительной системы рабочих камер, а во-вторых, за счет уменьшения числа сопрягаемых деталей. Достигаемый при этом технический результат - стабильность во времени кпд объемной машины, имеющей более простую конструкцию.

Поставленная задача решена тем, что в объемной машине, содержащей полый статор с внутренней цилиндрической поверхностью, направляющая которой имеет форму линии, ограничивающей правильный М-угольник, ротор, размещенный в полости статора эксцентрично и с возможностью планетарного движения относительно ее оси и образующий в процессе своего движения за счет контакта участков своей боковой поверхности с участками внутренней цилиндрической поверхности статора в зоне каждого из М ее углов изолированные друг от друга М рабочих камер переменного объема, переднюю торцевую крышку, на которой с возможностью вращения и соосно оси полости статора установлен вал, заднюю торцевую крышку, жестко и герметично соединенную со статором, и золотниковый распределительный механизм, при этом поперечное сечение ротора представляет собой плоскую фигуру с М-1 одинаковыми выпуклыми сторонами, плавно сопряженными между собой, и имеющую ось симметрии М-1 порядка, совпадающую с осью вращения ротора, согласно изобретению, передняя торцевая крышка жестко и герметично соединена со статором, который выполнен неразъемным, при этом статор соединен с передней и задней торцевыми крышками с образованием первой и второй кольцевых полостей, соосных валу и сообщающихся по всему своему внутреннему периметру с полостью статора, золотниковый распределительный механизм включает соосные ротору впускной и выпускной дисковые золотники, выполненные соответственно в виде первого и второго торцевых фланцев ротора, которые размещены соответственно в первой и второй кольцевых полостях с возможностью обеспечения свободного движения ротора, бесконтактного уплотнения рабочих камер переменного объема по их торцам за счет минимального гарантированного зазора между ними и боковыми стенками соответствующих кольцевых полостей, а также обеспечения при своем движении периодическое перекрытие М впускных каналов, выполненных в задней торцевой крышке, и периодическое соединение М выпускных каналов, выполненных в статоре в зоне каждого угла его внутренней цилиндрической поверхности, с коллекторной выходной полостью, при этом М - целое число, которое больше или равно трем.

Кроме того, поставленная задача решена тем, что:
- вал выполнен с эксцентриковым участком, расположенным в полости статора и являющимся осью ротора, который снабжен внутренним колесом планетарной передачи с внешним зубчатым венцом, находящимися в зацеплении с неподвижным наружным колесом с внутренним зубчатым венцом, которым снабжена задняя торцевая крышка;
- в задней торцевой крышке выполнена подшипниковая опора для вала;
- торцевые фланцы ротора выполнены в виде колец и жестко установлены на роторе;
- объемная машина дополнительно содержит балансир, неподвижно соединенный с валом;
- балансир размещен в глухом торцевом отверстии, выполненном в передней торцевой крышке;
- статор выполнен с торцевыми цилиндрическим проточками, а на обращенной к статору стороне передней и задней торцевых крышек выполнены цилиндрические выступы, соответствующие торцевым цилиндрическим проточкам статора, при этом глубина торцевых цилиндрических проточек статора больше высоты цилиндрических выступов на передней и задней торцевых крышках на ширину В_п кольцевых полостей;
- в передней торцевой крышке выполнена кольцевая проточка, выполняющая функцию коллекторной выходной полости и сообщающаяся по всей своей длине с периферийной частью второй кольцевой полости и выходным патрубком, установленным на передней торцевой крышке.

Предложенное выполнение объемной машины обеспечивает надежное бесконтактное торцевое уплотнение рабочих камер переменного объема при одновременном упрощении ее конструкции. Действительно, выполнение впускного и выпускного дисковых золотников в виде торцевых фланцев ротора, которые размещены в соответствующей кольцевой полости, позволяет обеспечить выполнение торцевыми фланцами ротора одновременно двух функций: собственно золотников распределительного механизма, а также элементов радиальной бесконтактной уплотнительной системы рабочих камер переменного объема. При этом отпадает необходимость в использовании специального корпуса для золотникового распределительного механизма, а также выполнения статора разъемным. Более того, изобретение позволяет разместить входные и выходные элементы для рабочего тела как на торцевых поверхностях объемной машины, так и на ее боковой поверхности (как в прототипе), что расширяет область ее использования. Выполнение бесконтактной уплотнительной системы рабочих камер переменного объема радиальной позволяет легко обеспечить требуемую (для заданной высотой степени сжатия рабочего тела) протяженность минимального гарантированного зазора между торцевыми фланцами ротора и боковыми поверхностями соответствующих им кольцевых полостей, при этом (что является важным обстоятельством) толщина торцевых фланцев ротора увеличивается незначительно, поскольку периферийные участки торцевых фланцев ротора, размещенные в соответствующих кольцевых полостях и отделенные от их боковых стенок минимальными гарантированными зазорами, заполненными смазкой, обеспечивают эффект "заделки" периферийных участков торцевых фланцев ротора, а следовательно, уменьшить существенно величину деформации торцевых фланцев ротора, возникающей при высоком давлении в камерах переменного объема. Небольшая толщина торцевых фланцев ротора (2-4 мм) позволяет также уменьшить величину центробежной силы, которую необходимо уравновесить с помощью балансира.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером его реализации в качестве компрессора (насоса), который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения сформулированной выше совокупностью существенных признаков требуемого технического результата. Естественно, что и формы реализации изобретательского замысла не ограничены изложенным ниже примером.

На фиг. 1 изображена объемная машина, продольный разрез; на фиг.2 - то же, вид сбоку, частичный разрез; на фиг.3 - то же, сечение А-А на фиг.1; на фиг. 4 - бесконтактное торцевое уплотнение рабочих камер в увеличенном масштабе; на фиг. 5 - выпускной дисковый золотник; на фиг.6,7 и 8 - схематично показаны последовательные положения ротора в процессе работы объемной машины (статор для наглядности повернут).

Объемная машина (фиг.1) содержит неразъемный полый статор 1 с внутренней цилиндрической поверхностью 2, направляющая которой имеет форму линии, ограничивающей правильный М-угольник с прямолинейными или выпуклыми сторонами, которые сопряжены между собой криволинейными участками, например квадрат (М= 4) со скругленными углами 3.1, 3.2, 3.3 и 3.4 (фиг.3), переднюю торцевую крышку 4 с установленным в ней подшипником 5, заднюю торцевую крышку 6 с установленным в ней подшипником 7, вал 8 с эксцентриковым участком 9, ротор 10 и балансир 11. Вал 9 установлен соосно оси 12 полости статора 1 с внутренней цилиндрической поверхностью 2 на подшипниках 5 и 7 и пропущен через соответствующее сквозное отверстие, выполненное в передней торцевой крышке 4. Передняя 4 и задняя 6 торцевые крышки жестко и герметично соединены со статором 1, например, с помощью резьбовых крепежных элементов 13, с образованием первой 14 и второй 15 кольцевых полостей, соосных оси 12 и сообщающихся по всему своему внутреннему периметру с полостью статора 1. В частности, это обеспечивается тем, что статор 1 выполнен с торцевыми цилиндрическими проточками 16.1 и 16.2, а на обращенной к нему стороне передней 4 и задней 6 торцевых крышках выполнены цилиндрические выступы 17.1 и 17.2, соответствующие торцевым цилиндрическим проточкам 16.1 и 16,2 статора, при этом глубина торцевых цилиндрических проточек 16.1 и 16.2 больше высоты цилиндрических выступов 17.1 и 17.2 на ширину В_п кольцевых полостей 14 и 15. Задняя торцевая крышка 6 снабжена соосным оси 12 внешним колесом планетарной передачи с внутренним зубчатым венцом 18, которое (в предпочтительном варианте осуществления изобретения) выполнено заодно с задней торцевой крышкой 6, например, на кольцевом выступе 19 (фиг.1). На размещенном в полости статора 1 эксцентриковом участке 9 вала 8 на подшипниках 20 установлен ротор 10 с глухим кольцевым торцевым отверстием 21, которое соосно оси 22 эксцентрикового участка 9 вала 8. Ротор 10 снабжен внутренним колесом планетарной передачи с внешним зубчатым венцом 23, которое соосно оси 22 и (в предпочтительном варианте осуществления изобретения) выполнено заодно с ротором 10 например, внутри отверстия 21, и находится в зацеплении с внутренним зубчатым венцом 18, который выполнен на кольцевом выступе 19, расположенным также внутри отверстия 21. Поперечное сечение ротора 10 представляет собой плоскую фигуру с тремя (М-1) одинаковыми выпуклыми сторонами 24.1 и 24.2 и 24.3, которые плавно сопряжены между собой, и имеющей ось симметрии третьего порядка (М-1), совпадающую с осью 22 (иными словами, с осью вращения ротора 10) и обеспечивающую при движении ротора 10 контакт его боковой поверхности с внутренней цилиндрической поверхностью 2 одновременно в четырех линейных участках 25.1, 25.2, 25.3 и 25.4, положение которых в процессе движения ротора 10 меняется по периодическому закону (фиг.6,7 и 8). Кроме того, поперечное сечение ротора 10 имеет три оси 10.1. 10.2 и 10.3 симметрии второго порядка.

Ротор 10 снабжен также соосными ему первым и вторым торцевыми фланцами (выполняющими соответственно функцию впускного и выпускного дисковых золотников), которые в предпочтительном варианте осуществления изобретения выполнены соответственно в виде первого 26 и второго 27 кольца, жестко установленных на роторе 10. Первый и второй торцевые фланцы ротора 10 могут быть выполнены заодно с ним, но в этом случае стоимость машины возрастет. Периферийная часть первого кольца 26 и периферийная часть второго кольца 27 постоянно размещены соответственно в первой 14 и второй 15 кольцевых полостях с обеспечением возможности свободного движения ротора 10 (кинематика движения которого определена двумя центроидами, а именно подвижной, устанавливающей геометрическое место центров вращения поперечного сечения ротора в плоскости его перемещения, и неподвижной, устанавливающей геометрическое место этих мгновенных центров в неподвижной плоскости [1]), а также бесконтактного уплотнения по торцам рабочих камер 28, 29, 30 и 31 переменного объема (которые ограничены по периметру ротора 10 линейными участками 25.1, 25.2, 25.3 и 25.4 контакта его боковой поверхности с внутренней цилиндрической поверхностью 2 полости статора 1) за счет минимального гарантированного зазора - δ₁ между кольцами 26 и 27 и боковыми стенками соответствующих им кольцевых полостей 14 и 15. Геометрические размеры торцевых фланцев ротора 10 и соответствующих им кольцевых полостей 14 и 15 удовлетворяют соотношениям:
В_п= В_ф+ 2δ₁; (1)
R_ф= R_п- ε-δ₂; (2)
R_п= R_оп+ L+ 2ε, (3)
где В_п и В_ф - соответственно ширина первой 14 и второй 15 кольцевых полостей и толщина торцевых фланцев ротора (кольца 26 и 27);
δ₁ - минимальный гарантированный зазор между каждым торцевым фланцем ротора и боковыми стенками соответствующей им кольцевой полости;
δ₂ - зазор между поверхностью дна каждой кольцевой полости и соответствующими участками торцевых фланцев ротора 10, наиболее удаленных от оси 12;
R_оп - радиус описанной окружности М-угольной направляющей внутренней цилиндрической поверхности 2 статора 1, при этом М=3,4,5,...;
R_ф - внешний радиус колец 26 и 27;
R_п - радиус кольцевых полостей 14 и 15;
ε - расстояние между осями 12 и 22;
L - длина радиального участка бесконтактного уплотнения по торцам рабочих камер 28-31, обеспечивающего перепад давления, равный ΔР_max и имеющего минимальный гарантированный зазор - δ₁.
Здесь следует отметить также, что величина L зависит также от состояния поверхностей, разделенных зазором δ₁, а именно наличием микронеровностей, кольцевых микроканавок и т.д., образующих лабиринтное бесконтактное уплотнение.

В передней торцевой крышке 4 выполнена кольцевая проточка 32, выполняющая функцию коллекторной выходной полости, сообщающейся по всей своей длине с периферийной частью второй кольцевой полости 15, а также с выходным патрубком 33, установленным на внешней поверхности передней торцевой крышки 4. Коллекторная выходная полость может быть выполнена и на внешней поверхности передней торцевой крышке 4 аналогично, как описано в патенте RU - C1 - 2075616, 1997. Возможно также выполнение коллекторной выходной полости в статоре 1. Кроме того, на обращенной к статору 1 стороне передней торцевой крышки 4 выполнено отверстие 34, в котором с возможностью свободного вращения размещен балансир 11, жестко закрепленный на валу 8.

На фиг.1-8 показаны также один из вариантов выполнения системы впуска и выпуска рабочего тела. В задней торцевой крышке 6 выполнены четыре (М=4) впускных отверстия 35.1, 35.2, 35.3 и 35.4, центры которых находятся на окружности с центром на оси 12 и разнесены друг относительно друга на 90^o. При этом диаметры, на которых попарно расположены центры впускных отверстий 35.1, 35.2 и 35.3, 35.4, лежат в соответствующих взаимно перпендикулярных диагональных плоскостях симметрии внутренней цилиндрической поверхности 2, а диаметр указанной выше окружности составляет 0,8-0,98 расстояния между каждой парой противолежащих скругленных углов 3.1, 3.3 (3.2, 3.4).

На внутренней цилиндрической поверхности 2 статора 1 выполнены четыре выпускных канала 36.1, 36.2, 36.3 и 36.4, оси которых расположены под углом 30-60^o к оси 12 и попарно лежат в соответствующих взаимно перпендикулярных диагональных плоскостях симметрии внутренней цилиндрической поверхности 2.

В первом кольце 26 (впускном дисковом золотнике) выполнены три дуговые впускные щели 37.1, 37.2 и 37.3, центры дуг которых расположены через 120^o на окружности с центром на оси 22 и диаметром, равным 8ε, где ε - расстояние между осями 12 и 22. Иными словами, ε - величина эксцентрического движения ротора 10. Дуговые впускные щели 37.1, 37.2 и 37.3 имеют угловую длину 0,8-1,2 рад и смещены друг относительно друга на 120^o.

На обращенной к статору 1 стороне второго кольца 27 (выпускного дискового золотника) выполнены три смещенные друг относительно друга на 120^o канавки 38.1, 38.2 и 38.3 в виде примыкающих к соответствующему диаметру кольца 27 отрезков хорд, каждая из которых сопряжена с соответствующей радиальной канавкой 39.1, 39.2 и 39.3, расположенными между соответствующей канавкой 38.1, 38.2 и 38.3 и внешней торцевой поверхностью 27.1 второго кольца 27.

Первое кольцо 26 закреплено на роторе 10 таким образом, что радиус, на которых расположены центры дуг впускных щелей 37.1, 37.2 и 37.3, повернуты относительно соответственно осей 10.1, 10.2 и 10.3 симметрии второго порядка поперечного сечения ротора 10 в направлении, противоположном направлению вращения ротора 10 на угол 57-59^o, при этом расстояние между осью 22 и каждой дугообразной впускной щелью монотонно уменьшается в направлении вращения ротора 10 вокруг оси 22.

Второе кольцо 27 закреплено на роторе 10 таким образом, что его диаметры, к которым примыкают канавки 38.1, 38.2 и 38.3, совпадают с соответствующими осями симметрии 10.1. 10.2 и 10.3 второго порядка поперечного сечения ротора 10, при этом расстояние между осью 22 и каждой канавкой 38.1-38.3 увеличивается в направлении вращения ротора 10.

В случае использования предложенной объемной машины в качестве компрессора или насоса работа ее осуществляется следующим образом.

При повороте вала 8 с помощью какого-либо внешнего привода происходит вращение ротора 10 вокруг оси 12 за счет размещения его на эксцентриковом участке 9 вала 8 (другими словами, за счет кривошипного соединения ротора 10 с валом 8), а также вращение ротора 10 вокруг оси 22 эксцентрикового участка 9 вала 8 за счет планетарной зубчатой передачи, включающей внешнее неподвижное колесо с внутренним зубчатым венцом 18 и находящимся в зацеплении с ним внутреннее подвижное колесо с внешним зубчатым венцом 23. Поскольку каждая сторона поперечного сечения ротора 10 представляет собой огибающую взаимодействующих с ней участков внутренней цилиндрической поверхности 2 статора 1, то при указанной выше кинематике движения ротора 10 обеспечивается контакт его боковой поверхности с внутренней цилиндрической поверхностью 2 статора 1 одновременно в четырех линейных участках 25.1, 25.2, 25.3 и 25.4, положение которых в процессе движения ротора 10 меняется, но при этом контакт с внутренней цилиндрической поверхностью 2 осуществляется не одними и теми же участками боковой поверхности ротора 10, а в некоторой очередности всеми участками его боковой поверхности. Иными словами боковая поверхность ротора 10 "обкатывается" полностью. Участки 25.1, 25.2, 25.3 и 25.4 касания боковой поверхности ротора 10 с внутренней цилиндрической поверхностью 2 делят объем полости статора 1 на четыре (М=4) рабочие камеры 28, 29, 30 и 31 переменного объема, расположенные соответственно в зоне каждого скругленного угла 3.1, 3.2, 3.3 и 3.4 внутренней цилиндрической поверхности 2 и ограниченные по торцам первым 26 и вторым 27 кольцами, которые жестко установлены на роторе 10. Периферийная часть первого кольца 26 и периферийная часть второго кольца 27 постоянно размещены соответственно в первой 14 и второй 15 кольцевых полостях, при этом за счет минимального гарантированного зазора - δ₁, между торцевыми поверхностями колец 26 и 27 и боковыми стенками соответствующих им кольцевых полостей 14 и 15 обеспечивается бесконтактное уплотнение рабочих камер 28-31 по торцам. Каждая рабочая камера 28-31 изменяет свой объем по периодическому закону, а именно происходит расширение каждой рабочей камеры 28-31 до максимального размера с последующим монотонным уменьшением их объемов до минимального размера, соответствующих моменту, когда одна из вершин ротора 10 совмещается с одним из скругленных углов внутренней цилиндрической поверхности 2. На фиг.6. 7 и 8 схематично показаны последовательные положения ротора 10 и колец 26 и 27, при этом впускные отверстия 35.1-35.4, выполненные в задней торцевой крышке 6, условно показаны черными кружками.

При вращении ротора 10 по часовой стрелке в момент совмещения впускного отверстия 35.1 с дуговой впускной щелью 37.1 начинается процесс наполнения рабочей камеры 28 рабочим тело, например воздухом, под давлением Р1 (фиг.6). В предложенной объемной машине за счет размещения периферийной части колец 26 и 27 соответственно в первой 14 и во второй 15 кольцевых полостях, от боковых стенок которых они отделены минимальным гарантированным зазором, заполненным смазкой, обеспечивается эффект "заделки" периферийных частей колец 26 и 27. Это позволяет уменьшить толщину колец 26 и 27 (торцевых фланцев ротора 10) при сохранении прочностных параметров объемной машины. Это особенно важно при использовании предложенной объемной машины в качестве машины, работающей от давления газа или жидкости, когда Р1 может достигать значительной величины.

Одновременно продолжается процесс наполнения рабочей камеры 29 через впускное отверстие 35.2 и дуговую впускную щель 37.2. Впускные отверстия 35.3 и 35.4 перекрыты кольцом 26, поэтому подача рабочего тела в рабочие камеры 30 и 31 закончилась и происходит процесс сжатия рабочего тела в этих рабочих камерах. При достижении давления в рабочей камере 31 заданного значения Р2 происходит совмещение отверстия выпускного канала 36.4, расположенного на торцевой поверхности статора 1 с канавкой 38.3, выполненной на внутренней поверхности кольца 27. Рабочее тело под давлением Р2 начинает поступать последовательно через выпускной канал 36.4, канавку 38.3 и радиальную канавку 39.3 в коллекторную выходную полость, образованную кольцевой проточкой 32, а далее через выходной патрубок 33 потребителю.

При дальнейшем повороте ротора 10 объем рабочей камеры 31 продолжает уменьшаться, поэтому давление в ней остается практически на том же уровне Р2. После достижения рабочей камерой минимального объема (фиг.7) выпускной канал 36.4 перекрывается кольцом 27 и подача рабочего тела потребителю под давлением Р2 заканчивается. Одновременно заканчивается процесс наполнения рабочим телом рабочей камеры 29, но продолжается процесс наполнения рабочим телом рабочей камеры 28, а также продолжается процесс сжатия рабочего тела в рабочей камере 30.

Далее объем рабочей камеры 31 начинает увеличиваться, давление рабочего тела в этой камере уменьшается, а после достижения давлением в этой рабочей камере величины, близкой к Р1, начинается процесс наполнения рабочей камеры 31 рабочим телом под давлением Р1 (фиг.8) за счет совмещения впускного отверстия 35.4 с дуговой впускной щелью 37.3. Аналогично описанный выше процесс повторяется в рабочих камерах 28, 29, 30 и 31. Здесь необходимо отметить, что при описании работы предложенной объемной машины не учитывался фактор, касающийся нагрева рабочего тела при сжатии. С учетом вышеуказанного фактора длина канавок 38.1-38.3 должна быть увеличена по сравнению с тем, как показано на фигурах.

Центробежные силы, возникающие при движении ротора 10 и колец 26 и 27, уравновешиваются с помощью балансира 11. В случае использования данного изобретения в качестве двигателя внутреннего сгорания объемная машина дополнительно должна содержать систему инициирования воспламенения рабочего тела.

Таким образом, настоящее изобретение может быть использовано в холодильных машинах, компрессорах, насосах, гидромоторах, а также в двигателях внутреннего сгорания, используемых в любых отраслях в качестве силового агрегата.

Изобретение относится к машинам объемного сжатия и разрежения с ротором, совершающим планетарное движение. Машина содержит неразъемный полый статор, переднюю и заднюю торцевые крышки с установленными в них подшипниками. Вал с эксцентриковым участком установлен в подшипниках соосно полости статора. Передняя и задняя торцевые крышки жестко и герметично соединены со статором с образованием первой и второй кольцевых полостей. Ротор установлен на эксцентриковом участке вала и кинематически связан с задней торцевой крышкой посредством планетарной зубчатой передачи. Ротор снабжен также торцевыми фланцами, выполняющими соответственно функцию впускного и выпускного дисковых золотников, периферийные участки которых постоянно размещены соответственно в первой и второй кольцевых полостях с обеспечением бесконтактного уплотнения по торцам рабочих камер объемной машины за счет минимального гарантированного зазора между торцевыми фланцами ротора и боковыми стенками соответствующих кольцевых полостей. Повышается надежность торцевой уплотнительной системы рабочих камер переменного объема при одновременном повышении степени сжатия рабочего тела и упрощении конструкции. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Объемная машина, содержащая полый статор с внутренней цилиндрической поверхностью, направляющая которой имеет форму линии, ограничивающей правильный М-угольник, ротор, размещенный в полости статора эксцентрично и с возможностью планетарного движения относительно ее оси и образующий в процессе своего движения за счет контакта участков своей боковой поверхности с участками внутренней цилиндрической поверхности статора в зоне каждого из М ее углов изолированные друг от друга М рабочих камер переменного объема, переднюю торцевую крышку, на которой с возможностью вращения и соосно оси полости статора установлен вал, заднюю торцевую крышку, жестко и герметично соединенную со статором, и золотниковый распределительный механизм, при этом поперечное сечение ротора представляет собой плоскую фигуру с М-1 одинаковыми выпуклыми сторонами, плавно сопряженными между собой, и имеющую ось симметрии М-1 порядка, совпадающую с осью вращения ротора, отличающаяся тем, что передняя торцевая крышка жестко и герметично соединена со статором, который выполнен неразъемным, при этом статор соединен с передней и задней торцевыми крышками с образованием первой и второй кольцевых полостей, соосных валу и сообщающихся по всему своему внутреннему периметру с полостью статора, золотниковый распределительный механизм включает соосные ротору впускной и выпускной дисковые золотники, выполненные соответственно в виде первого и второго торцевых фланцев ротора, которые размещены соответственно в первой и второй кольцевых полостях с возможностью обеспечения свободного движения ротора, бесконтактного уплотнения рабочих камер переменного объема по их торцам за счет минимального гарантированного зазора между ними и боковыми стенками соответствующих кольцевых полостей, а также обеспечения при своем движении периодического перекрытия М впускных каналов, выполненных в задней торцевой крышке, и периодического соединения М выпускных каналов, выполненных в статоре в зоне каждого угла его внутренней цилиндрической поверхности, с коллекторной выходной полостью, при этом М - целое число, которое больше или равно трем. 2. Объемная машина по п.1, отличающаяся тем, что вал выполнен с эксцентриковым участком, расположенным в полости статора и являющимся осью ротора, который снабжен внутренним колесом планетарной передачи с внешним зубчатым венцом, находящимися в зацеплении с неподвижным наружным колесом с внутренним зубчатым венцом, которым снабжена задняя торцевая крышка. 3. Объемная машина по п.1, отличающаяся тем, что в задней торцевой крышке выполнена подшипниковая опора для вала. 4. Объемная машина по п.1, отличающаяся тем, что торцевые фланцы ротора выполнены в виде колец и жестко установлены на роторе. 5. Объемная машина по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит балансир, неподвижно соединенный с валом. 6. Объемная машина по п.5, отличающаяся тем, что балансир размещен в глухом торцевом отверстии, выполненном в передней торцевой крышке. 7. Объемная машина по п.1, отличающаяся тем, что статор выполнен с торцевыми цилиндрическими проточками, а на обращенной к статору стороне передней и задней торцевых крышек выполнены цилиндрические выступы, соответствующие торцевым цилиндрическим проточкам статора, при этом глубина торцевых цилиндрических проточек статора больше высоты цилиндрических выступов на передней и задней торцевых крышках на ширину В_п кольцевых полостей. 8. Объемная машина по п.1, отличающаяся тем, что в передней торцевой крышке выполнена кольцевая проточка, выполняющая функцию коллекторной выходной полости и сообщающаяся по всей своей длине с периферийной частью второй кольцевой полости и выходным патрубком, установленным на передней торцевой крышке.