ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ РОТОРНО-ЛОПАСТНОЙ ТАНГЕНЦИАЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ИВШИНА Российский патент 2003 года по МПК F01C1/73 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторно-лопастным двигателям внутреннего сгорания, и может быть использовано в качестве силовой установки на сухопутных, водных и, особенно, воздушных легкомоторных транспортных средствах.

Известен четырехтактный роторно-лопастной двигатель (автор Седунов И.П. ), содержащий корпус с впускными и выпускными окнами, два ротора с лопастями, соосно установленные в корпусе с возможностью вращения в одном направлении и образующие в полости корпуса четыре изолированные камеры переменного объема, вал отбора мощности, установленный соосно с роторами, и совмещенный с ним механизм связи лопастей в виде эксцентрично расположенных относительно роторов, спаренных параллельно друг другу, вращающихся планетарно относительно роторов и опорных узлов в крейцкопфах двух коленчатых валов, задающих алгоритм движения роторов относительно друг друга, а также передачу крутящего момента на вал отбора мощности [1]. Недостатками данного двигателя являются большое количество трущихся пар, трудность уплотнения сопрягаемых поверхностей лопастей роторов и камер переменного объема, конструктивно обусловленное малое отношение рабочей площади лопастей к площади цилиндрических и торцевых поверхностей камеры сгорания.

Технической задачей изобретений является создание двигателя с вынесенным из рабочей зоны роторов механизмом их связи для формирования крутящего момента на валу отбора мощности, выполненным без применения трущихся пар большого сопротивления, со стабильным и простым уплотнением рабочих камер переменного объема, упрощенной технологической, регулировочной и ремонтной сложностью.

Поставленная задача решается в предлагаемом четырехтактном роторно-лопастном двигателе, содержащем корпус с впускными и выпускными окнами, два ротора с лопастями, соосно установленные в корпусе с возможностью вращения в одном направлении и образующие в полости корпуса четыре изолированные камеры переменного объема, согласно изобретению отличающийся тем, что он состоит из двух узлов: роторного и шестеренчатого с храповыми механизмами интегратора вращения, размещенных в корпусе с раздельными секциями.

Роторный узел включает в себя два сборных ротора с лопастями, соосно установленные в запрессованной в корпус гильзе цилиндра с соответствующими окнами на расположенные один в другом валы, имеющие уплотнения между контактирующими поверхностями роторов и гильзы с динамическим уплотнением в осевом направлении, и соединяется посредством указанных валов с интегратором вращения.

Интегратор вращения задает алгоритм вращения роторов, интегрирует крутящий момент от них, передает его на вал отбора мощности, расположенный параллельно к валам роторов, и включает в себя:
- установленные на валах две конические шестерни, связанные между собой для суммирования крутящего момента роторов зацеплением через два сателлита, вращающиеся на радиальных осях в маховике, находящемся в зацеплении с вал-шестерней отбора мощности и передающем реактивный момент;
- два храповых механизма, попеременно передающих суммарный крутящий момент от роторов на вал отбора мощности (в дальнейшем - рабочий ход ротора) и наоборот, например, при запуске двигателя, и состоящих из установленных на валах двух водил с собачками и свободно вращающихся на валах зубчатых колес с внутренними зубьями храповика, также находящихся в постоянном зацеплении с валом отбора мощности через шестерни с применением фрикционных колец для выборки зазоров в зацеплениях в фазе вращения колес без непосредственной передачи крутящего момента от роторов к валу отбора мощности (в дальнейшем - холостой ход ротора);
- закрепленные на торцах маховика через эксцентрические втулки для регулировки взаимного положения роторов относительно друг друга и маховика задающие фланцы с центробежными буферами, последние совместно со штифтами-ограничителями через управляющие диски с упорами определяют порядок работы храповых механизмов с блокировкой головок собачек в рабочих гнездах;
- пружинные буферы, также установленные на задающие фланцы и обеспечивающие работу центробежных буферов на малых оборотах, например, при запуске двигателя.

Благодаря вынесению интегратора вращения за пределы объема роторов, он может быть изготовлен с любым, сколь угодно большим, запасом прочности для надежности и долговечности работы.

Двигатель может исполняться в вариантах как с низкой, так и с высокой степенью сжатия, причем последнее достигается не за счет простого увеличения толщины лопастей, а более рациональным использованием объема роторного узла с существенным повышением КПД двигателя за счет изменения передаточного числа шестерен с соответствующим изменением количества деталей и элементов храпового механизма и управляющего диска в интеграторе вращения.

На фиг. 1 показана схема создания крутящего момента на выходном валу отбора мощности; на фиг. 2 - поперечный разрез роторного узла; на фиг.3 - разрез роторного узла по лопастям; на фиг.4 - вид на роторный узел с торца с показом шипового соединения и крышек пластинчатых уплотнителей; на фиг.5 - разрез интегратора вращения по сечению А-А, общему для обоих узлов; на фиг.6 - вид на динамический уплотнитель со стороны вала; на фиг.7 - сечение Г-Г с показом расположения деталей на задающем фланце перед рабочим ходом; на фиг. 8 - сечение Д-Д с показом расположения деталей храпового механизма и управляющего диска перед рабочим ходом; на фиг.9 - сечение Е-Е с совмещенным показом деталей задающего фланца и храпового механизма с управляющим диском перед холостым ходом; на фиг. 10 - положение деталей задающего фланца и храпового механизма с управляющим диском в конце холостого хода ротора, перед срабатыванием центробежного буфера.

Двигатель состоит из роторного узла и узла интегратора вращения, расположенных в одном корпусе 1 в раздельных секциях. В роторном узле в корпусе 1 и запрессованной в нем гильзе цилиндра 2 вращаются два сборных ротора, состоящих из фланцев с диаметрально расположенными лопастями 3 и 4, напрессованных на втулки 5 и 6 с шипами, входящими в торцевые пазы фланцев, которые, в свою очередь, устанавливаются на валы 7 и 8, расположенные один в другом. Плотность контакта торцов втулок регулируется гайкой 9. Уплотнение лопастей осуществляется подпружиненными для компенсации износа пластинчатыми уплотнителями 10, 11, 12, а по окружности фланцев разрезными пружинящими уплотнительными кольцами 13, 14. Для исключения прорыва газов вдоль пластины 10 в пространство под крышку 16 предусмотрен динамический уплотнитель 15, запирающий газы при их воздействии на его скос.

В интеграторе вращения на валы 7 и 8 установлены конические шестерни 17, 18, находящиеся в зацеплении друг с другом через два сателлита 19, установленных в маховике 20 во вкладышах 21 и вращающихся в них на радиально-упорных подшипниках 22. Маховик 20 находится в постоянном зацеплении с вал-шестерней 23 отбора мощности. На валах 7 и 8 также установлены водила храповых механизмов 25, 26 с собачками 27, 28, поворачивающимися на осях 29 с возможностью утопления их головок в пазах водила и управляющих дисков 40, 41. На валу 8 непосредственно, а на валу 7 через промежуточную втулку 30 установлены свободно вращающиеся в кольцевых проточках зубчатые колеса 31 и 32 с внутренними гнездами для головок собачек храповика и тоже находящиеся в постоянном зацеплении с валом отбора мощности 23 через шестерни 33. На торцах маховика 20 шпильками с гайками 34 через установленные в радиальных пазах эксцентриковые втулки 35 закреплены задающие фланцы 36, которые посредством размещенных на них на осях 37 центробежных буферов 38 и штифтов-ограничителей 39 при помощи управляющих дисков с двумя упорами и пазами с угловыми скосами 40 и 41, свободно вращающимися в кольцевых проточках на конических шестернях 17, 18, воздействуют на собачки 27, 28 с их блокировкой в гнездах зубчатых колес, определяя очередность срабатывания храповых механизмов для жесткого сцепления зубчатых колес 31 и 32 с валами 7 и 8 соответственно и их разблокирования. Для обеспечения работы центробежных буферов 38 при малых оборотах на задающих фланцах 36 размещены на осях 42 пружинные буферы 43, передающие в этом случае усилие от пружины 44 через палец 45 на носок центробежного буфера 38. При остановленном двигателе пружинные буферы под действием пружин 44 фиксируются на штифтах-упорах 46. На зубчатых колесах 31, 32 и шестернях 33 установлены фрикционные кольца 47, 48.

На фиг. 1 показан принцип создания крутящего момента на выходном валу отбора мощности. Давление газов от сгорания топлива Р на лопасти роторов передается зубчатым колесом d_p одно из них непосредственно на вал отбора мощности через шестерню d_ш.р. В то же время обе лопасти связаны между собой промежуточными шестернями d₁ и d₂ одинакового диаметра (d₁ равно d₂) через сателлит, который, в свою очередь, вращается на оси, закрепленной в маховике d_м, также находящемся в зубчатом зацеплении с валом отбора мощности d_ш.м. Общий крутящий момент на последнем равен разности от суммарного крутящего момента роторов, передаваемое через зубчатое колесо и реактивного момента, передаваемого через зубчатый венец маховика, и определяется по формуле:

где S - площадь лопастей,
d_cp - средний диаметр лопастей.

Если принять угловую скорость маховика постоянной ω₁ при заданном значении d_м/d_ш.м, то ротор рабочего хода будет вращаться равноускоренно относительно него с угловой скоростью ω₂, а другой, ротор холостого хода, равнозамедленно со скоростью ω₃ в зависимости от передаточного числа d_p/d_ш.p. Так например, при передаточном числе d_м/d_ш.м = 4 и d_p/d_ш.p = 2 угловая скорость ω₃ будет равна нулю, то есть лопасть будет стоять на месте (относительно корпуса двигателя) отключения от непосредственного зацепления с валом отбора мощности, а вторая лопасть будет двигаться с угловой скоростью ω₂, в два раза большей, чем у маховика ω₁. При d_p/d_ш.p = 2,4 при повороте маховика на угол 90^o лопасть рабочего хода повернется на угол 150^o, а лопасть холостого хода на угол 30^o, равный углу смещения роторов относительно друг друга при этом варианте. При d_p/d_ш.р = 2,666, соответственно 90^o-135^o-45^o, что при переключении непосредственного зацепления роторов с валом отбора мощности с одного на другой при повороте маховика на 90^o образует постоянный цикл прихода диаметрально расположенных в роторах лопастей в определенные точки в гильзе цилиндра, соответствующие циклу работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.

В предлагаемом типе двигателя, исходя из условий прочности лопастей, передаточное число d_p/d_ш.р = 2,4, с расположением деталей и элементов храпового механизма и пазов управляющего диска через 120^o, может применяться только при высоких степенях сжатия, d_p/d_ш.p = 2,666, с вышеназванными элементами, расположенными через 90^o - при низких степенях сжатия; для выдерживания необходимой толщины лопастей.

В данном случае рассмотрен вариант для низкой степени сжатия.

Двигатель работает следующим образом: давление газов от воспламенившегося топлива равномерно воздействует на лопасти роторов 3 и 4 (фиг.1, 3). Лопасть ротора 4, установленного на наружный вал 8, начинает равноускоренно совершать рабочий ход, одновременно производя выхлоп отработанных газов через выпускное окно. Диаметрально расположенная лопасть в это же время производит сжатие горючей смеси в замкнутом объеме и одновременно всасывает новую порцию смеси через впускное окно. Лопасти ротора 3, установленного на внутренний вал 7, в то же время равнозамедленно совершают холостой ход, занимая место лопастей ротора 4 для последующего рабочего хода. Далее суммарный крутящий момент с валов 7 и 8 через конические шестерни 17 и 18 (фиг. 5), связанные двумя сателлитами 19, вращающихся на радиальных осях в маховике 20, передается через установленное на наружном валу 8 водило храповика 25, собачки 28 с утопленными в своих гнездах и заблокированными цилиндрической поверхностью управляющего диска 41 через плечики головками (фиг.7, 8), зубчатое колесо 32, шестерню 33 на вал отбора мощности 23. Маховик 20, постоянно находящийся в зацеплении с вал-шестерней 23, передает реактивный момент.

Одновременно с этим водило 26 с собачками 27, установленное на валу 7 (фиг. 5, 9), выходит из рабочего хода посредством того, что управляющий диск 40, равноускоренно двигавшийся в общей связке коническая шестерня 18 - водило 26 - зубчатое колесо 31, дойдя своими упорами до штифта-ограничителя 39, замедляет свое движение до скорости маховика, разблокируя головки собачек до совмещения кромок своих угловых скосов пазов под тыльные скосы головок собачек. Зубчатое колесо 31 так же, как и колесо 32, постоянно вращаясь равноускоренно относительно маховика 20, накатывается тыльными скосами гнезд на соответствующие скосы головок собачек, перемещая их радиально к центру. В свою очередь собачки, поворачиваясь на своих осях другими тыльными скосами плеч головок, смещают управляющий диск против направления вращения. Головки собачек утапливаются в своих пазах в водиле и управляющем диске, выходя из зацепления с зубчатым колесом. Вход в зацепление в конце холостого хода перед началом рабочего хода осуществляется посредством центробежных буферов 38 (фиг.10). Буферы, отклоненные упорами управляющего диска от радиального положения, под действием центробежной силы стремятся вернуться в исходное положение и давят на них и, в целом, через скосы пазов управляющего диска на головки собачек, стремясь переместить их от центра. При совмещении фронтальных скосов головок собачек со скосами внутренних зубьев головки утапливаются в гнездах зубчатого колеса и блокируются в них поворотом управляющего диска от центробежных буферов до установки последних в исходное радиальное положение.

При недостаточных для срабатывания центробежного буфера оборотах в работу вступает пружинный буфер 43, находящийся при рабочих оборотах под действием центробежной силы осью симметрии в радиальном положении и не имеющий в этом положении контакта с центробежным буфером. При вступлении в работу он передает усилие пружины 44 через палец 45 на носок центробежного буфера.

При передаче крутящего момента от вала отбора мощности к роторам, например при запуске, описанная выше работа деталей узлов двигателя одна и та же, только передача крутящего момента происходит не по фронтальному, а по тыльному скосу головок собачек.

Регулировочные работы по нивелировке взаимного расположения роторов относительно друг друга и относительно маховика, а в целом, и корпуса как при наладке, так и по мере износа деталей интегратора вращения в процессе эксплуатации очень просты и производятся эксцентриковыми втулками эксцентриситетом, равным половине модуля зубчатых колес путем поворота их в радиальных пазах задающих фланцев, со взаимным угловым смещением последних относительно друг друга и относительно маховика, на шпильках маховика с последующим закреплением фланцев гайками. Угол установки штифта-ограничителя относительно центробежного буфера должен быть таким, чтобы обеспечить поворот упора управляющего диска от радиуса контакта упора с пяткой центробежного буфера в момент его срабатывания (при любом взаимном расположении задающих фланцев в диапазоне регулировок эксцентриковыми втулками), до контакта со штифтом-ограничителем. Он состоит из угла поворота управляющего диска для выхода головки собачки из его паза плюс 45^o для двигателей с низкой степенью сжатия и 60^o для двигателя с высокой степенью сжатия.

В свою очередь, профиль рабочей поверхности пятки центробежного буфера должен обеспечивать поворот управляющего диска для выхода головки собачки из его паза плюс дальнейший его поворот для блокировки головки в гнезде зубчатого колеса при повороте центробежного буфера от точки срабатывания до исходного положения в радиальном направлении.

Фрикционные кольца 47 и 48 выполняются передаточным числом зубчатое колесо/шестерня чуть меньше зубчатого для выборки зазоров в зубчатых зацеплениях при свободном вращении колес во время холостого хода. Рабочие торцы втулок роторов выполняются со взаимным лабиринтным профилем с обеспечением высокой термо-износостойкости. Это достигается напайкой на торцы титано-кобальтовых или вольфрамо-кобальтовых шайб, или ионоплазменным напылением на торцы карбонитрида титана, создающими в сочетании с графитовой смазкой надежное уплотнение.

В процессе работы двигателя, при увеличении давления в камере сгорания для увеличения крутящего момента увеличивается и осевая сила на фланце роторов, которая стремится увеличить зазор между торцами втулок роторов, но это не происходит вследствие того, что, в дополнение к работе упорных подшипников между маховиком и коническими шестернями, в зубчатой связке конические шестерни - сателлит с углом наклона зубьев 65^o-70^o возникает противодействующая осевая сила, тем большая, чем больше крутящий момент.

Источник информации
1. RU патент 2101520, F 02 B 55/00.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в роторно-лопастных двигателях внутреннего сгорания. Техническим результатом является упрощение конструкции двигателя. Сущность изобретения: крутящий момент от сгорания топлива в роторном узле передается лопастями двух роторов посредством расположенных один в другом валов в интегратор вращения, в котором суммируется через установленные на валах конические шестерни, связанные сателлитами, и передается с помощью установленных на этих же валах храповых механизмов попеременно зубчатыми колесами на вал отбора мощности. Одновременно на него же передается реактивный момент с осей сателлитов, расположенных радиально в маховике, вращающемся соосно с роторами. Порядок работы храповых механизмов определяется центробежными буферами и ограничителями, установленными на задающих фланцах, закрепленных на торцах маховика с возможностью их углового смещения при регулировке, и воздействующими посредством управляющих дисков с упорами на головке собачек храповика. Изобретение позволяет достичь высокого кпд при относительно небольших размерах с большим запасом прочности интегратора вращения за счет его вынесения из зоны роторов для обеспечения надежности и долговечности и обеспечивает исполнение как для низкой, так и для высокой степени сжатия. 3 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Четырехтактный роторно-лопастной тангенциальный двигатель, содержащий корпус с впускными и выпускными окнами, два ротора с лопастями, соосно установленные в корпусе с возможностью вращения в одном направлении и образующие в полости корпуса четыре изолированные камеры переменного объема, отличающийся тем, что состоит из двух узлов: роторного и интегратора вращения, размещенных в корпусе с раздельными секциями, с передачей суммарного крутящего момента от роторов в роторном узле посредством расположенных один в другом валов попеременно за счет установленных на валах в интеграторе вращения храповых механизмов и зубчатых колес, связанных зацеплением с шестернями, на вал отбора мощности, расположенный параллельно вышеуказанным, с одного ротора непосредственно, а с другого через установленные на тех же валах конические шестерни, связанные сателлитами, вращающимися на радиальных осях в маховике, в свою очередь, вращающемся соосно с роторами и передающем зубчатым зацеплением на вал отбора мощности реактивный момент, при этом управление работой храпового механизма осуществляется задающими фланцами, закрепленными на торцах маховика через эксцентрические втулки для регулировки взаимного положения роторов относительно друг друга и относительно маховика, а в целом, и относительно корпуса с помощью установленных на фланцах центробежных буферов и ограничителей, воздействующих на управляющие диски с упорами, определяющие положение собачек храпового механизма с головками, позволяющими передавать крутящий момент как в прямом, так и в обратном направлении, например, при запуске двигателя; и исполняется как для низкой, так и для высокой степени сжатия. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что сборные роторы, состоящие из фланцев с лопастями, напрессованных на втулки с термоизносостойкими рабочими торцами с лабиринтным профилем, дополнительно зафиксированных торцевым шиповым соединением, вращаются в гильзе цилиндра, запрессованной в корпусе, с уплотнением по контактирующим поверхностям разрезными кольцевыми и пластинчатыми уплотнителями, с динамическим уплотнением по оси втулки. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что для обеспечения работы центробежного буфера при недостаточных для этого оборотах, например при запуске двигателя, на задающем фланце установлен пружинный буфер, передающий в этом случае усилие пружины на центробежный буфер для компенсации недостатка центробежной силы. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на зубчатых колесах храповых механизмов и шестернях вала отбора мощности установлены фрикционные кольца для выборки зазоров в зубчатых зацеплениях, что при соответствующей регулировке цикла работы храповых механизмов эксцентриковыми втулками обеспечивает безударную работу деталей интегратора вращения и двигателя в целом.