РОТОРНАЯ ОБЪЕМНАЯ МАШИНА ВИХРОВА Российский патент 2006 года по МПК F01C3/00 F01C3/08 F02B53/00 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, паровых и пневмодвигателях, компрессорах и вакуумных насосах.

Известна выполненная в виде двигателя внутреннего сгорания роторная объемная машина, содержащая тороидальный корпус, размещенный в корпусе коаксиально к последнему тороидальный ротор, на периферии которого выполнены спиральные канавки, и расположенный в осевой плоскости корпуса затвор, взаимодействующий со спиральными канавками ротора с вращением, при этом на корпусе выполнены впускное и выпускное окна, расположенные по разные стороны от затвора и сообщающиеся со спиральными канавками ротора (см. патент RU №2096637, кл. F 02 В 53/00, приоритет от 12.05.1995, опубл.20.11.1997).

Недостатком указанного двигателя является технологическая сложность изготовления спиральных канавок на роторе, особенно на приближенных к оси корпуса участках из-за неудобства размещения там рабочего инструмента. Этот недостаток не позволяет снизить до теоретически возможных габариты двигателя, что препятствует повышению до теоретически возможного уровня удельной мощности двигателя.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности является принятая за прототип и выполненная в виде двигателя внутреннего сгорания роторная объемная машина, содержащая ротор с рабочей поверхностью, представляющей собой поверхность части тора, образуемой от вращения сектора круга вокруг оси вращения ротора при расположении указанного сектора круга со стороны оси вращения ротора, и с многовитковой спиральной канавкой, выполненной на его рабочей поверхности, статор, прилегающий к рабочей поверхности ротора с образованием закрытого многовиткового спирального канала для прохода рабочей среды, ограниченного стенками спиральной канавки ротора и внутренней поверхностью статора, и выполненный с прорезью, расположенной в плоскости оси вращения ротора, и затвор, выполненный в виде расположенного в той же плоскости диска с равномерно и радиально расположенными по его периметру и плотно входящими в прорезь статора выступами, прилегающими к поверхности спиральной канавки ротора на всем ее радиальном сечении, взаимодействующими с этой поверхностью с вращением затвора и разделяющими внутренний объем упомянутого спирального канала на рабочие камеры, каждая из которых заключена между двумя смежными выступами затвора, при этом ось затвора является касательной к осевой окружности упомянутого тора, радиус которой превышает радиус окружности, проведенной в плоскости диска затвора через вершины его выступов, имеющих форму сектора круга, а на статоре выполнены расположенные с разных сторон его прорези впускное и выпускное окна, сообщающиеся с упомянутым многовитковым спиральным каналом (см. патент RU №2139997, кл. F 02 В 53/00, приоритет от 12.05.1998, опубл.20.10.1999).

Недостатком прототипа является высокая технологическая сложность изготовления спиральной канавки ротора и недостаточная герметичность стыков между выступами затвора и спиральной канавкой ротора, снижающая кпд и мощность двигателя. Вместе с тем симметричное исполнение двигателя относительно оси вращения ротора не позволяет осуществлять регулировку степени сжатия и расширения рабочей среды в спиральном канале двигателя, что снижает функциональные возможности машины. При этом упомянутая в прототипе возможность регулировки указанных степеней сжатия и расширения за счет изменения положения впускного и выпускного окон на статоре является технической ошибкой и не может быть реализована, поскольку степень сжатия и степень расширения зависят только от геометрии ротора, а положение впускного и выпускного окон на статоре влияет только на смещение фазы газораспределения.

Технической задачей, для решения которой служит предлагаемое изобретение, является упрощение геометрии выступов затвора и спиральной канавки ротора в радиальном сечении последней, повышение степени герметичности стыков между выступами затвора и спиральной канавкой ротора и обеспечение возможности регулировки в широких пределах степени сжатия и расширения рабочей среды в спиральном канале двигателя в зависимости от конструктивного исполнения машины, определяемого выполняемыми ею функциями.

Техническим результатом, получаемым при практическом использовании предлагаемого изобретения, является упрощение изготовления и стоимости роторной машины за счет упрощения геометрии выступов затвора и спиральной канавки ротора в радиальном сечении последней, повышение кпд и мощности роторной машины за счет повышения степени герметичности стыков между выступами затвора и спиральной канавкой ротора и расширение функциональных возможностей роторной машины за счет обеспечения возможности регулировки в широких пределах степени сжатия и расширения рабочей среды в ее спиральном канале.

Для решения поставленной технической задачи в предлагаемой роторной объемной машине, содержащей ротор с рабочей поверхностью, представляющей собой поверхность части тора, образуемой от вращения сектора круга вокруг оси вращения ротора при расположении указанного сектора круга со стороны оси вращения ротора, и с многовитковой спиральной канавкой, выполненной на его рабочей поверхности, статор, плотно прилегающий к рабочей поверхности ротора с образованием закрытого многовиткового спирального канала для прохода рабочей среды, ограниченного стенками спиральной канавки ротора и внутренней поверхностью статора, и выполненный с прорезью, расположенной в плоскости оси вращения ротора, и затвор, выполненный в виде расположенного в той же плоскости и плотно входящего в прорезь статора диска с равномерно и радиально расположенными по его периметру выступами, плотно прилегающими к поверхности спиральной канавки ротора на всем ее радиальном сечении, взаимодействующими с этой поверхностью с вращением затвора и разделяющими внутренний объем упомянутого спирального канала на рабочие камеры, каждая из которых заключена между двумя смежными выступами затвора, при этом ось затвора является касательной к осевой окружности упомянутого тора, радиус которой превышает радиус окружности, проведенной в плоскости диска затвора через вершины его выступов, а на статоре выполнены расположенные с разных сторон его прорези впускное и выпускное окна, сообщающиеся с упомянутым многовитковым спиральным каналом, в отличие от прототипа радиальное сечение спиральной канавки ротора имеет преимущественно форму полукруга, при которой внешняя часть каждого выступа затвора, взаимодействующая с поверхностью спиральной канавки ротора, выполнена сферообразной формы, при этом величина угла α упомянутого сектора круга и расположение последнего относительно экваториальной плоскости упомянутого тора, а также расположение впускного и выпускного окон статора относительно ротора и направление вращения последнего и/или направление спиральной канавки ротора относительно направления его вращения выбираются в зависимости от конструктивного исполнения машины, определяемого выполняемыми ею функциями. При этом наружная поверхность ротора может быть выполнена концентрично его рабочей поверхности, а наружная поверхность статора может быть выполнена концентрично его внутренней поверхности, примыкающей к рабочей поверхности ротора.

При конструктивном исполнении машины в виде двигателя внутреннего сгорания угол α вышеупомянутого сектора круга делится экваториальной плоскостью вышеупомянутого тора на две части, одна из которых составляет угол β, выполненный в соответствии с соотношением

360°/N<β≤180°,

где N - количество выступов на затворе, а вторая - угол γ, выполненный в соответствии с соотношением

360°/N<γ≤180°,

при условии, что при любом значении углов β и γ, соответствующем указанным соотношениям, угол α меньше 360° на величину, необходимую для обеспечения возможности закрепления статора в неподвижном положении относительно ротора и обеспечения возможности доступа к впускному и выпускному окнам статора, при этом впускное окно расположено вблизи края ротора, расположенного во второй части угла α, выпускное окно расположено вблизи края ротора, расположенного в первой части угла α, а направление спиральной канавки ротора относительно направления его вращения и направление вращения ротора при запуске двигателя выбираются таким образом, чтобы каждая рабочая камера многовиткового спирального канала в такте всасывания и сжатия рабочей смеси, поступающей в указанную рабочую камеру через впускное окно статора, перемещалась от одного края ротора, вблизи которого расположено впускное окно статора, к оси вращения ротора, а в такте рабочего хода и выпуска отработавших продуктов сгорания через выпускное окно статора - от оси вращения ротора к его второму краю, вблизи которого расположено выпускное окно статора.

При конструктивном исполнении машины в виде парового или пневмодвигателя вышеупомянутый сектор круга расположен по одну сторону от экваториальной плоскости вышеупомянутого тора, и его угол α выполнен в соответствии с соотношением

360°/N<α≤180°,

при этом впускное окно статора расположено вблизи оси вращения ротора, выпускное окно статора расположено на периферии ротора, а направление спиральной канавки ротора относительно направления его вращения выбирается таким образом, чтобы каждая рабочая камера многовиткового спирального канала в такте впуска и расширения рабочего тела, поступающего в указанную рабочую камеру через впускное окно статора, перемещалась от оси вращения ротора к его периферии с сообщением с выпускным окном статора в конце такта расширения.

При конструктивном исполнении машины в виде компрессора или вакуумного насоса вышеупомянутый сектор круга расположен по одну сторону от экваториальной плоскости вышеупомянутого тора, и его угол α выполнен в соответствии с соотношением

360°/N<α≤180°,

при этом впускное окно статора расположено на периферии ротора, выпускное окно статора расположено вблизи оси вращения ротора, а направление спиральной канавки ротора относительно направления его вращения выбирается таким образом, чтобы каждая рабочая камера многовиткового спирального канала в такте всасывания и сжатия рабочего тела, поступающего в указанную рабочую камеру через впускное окно статора, перемещалась от периферии ротора к оси его вращения с сообщением с выпускным окном статора в конце такта сжатия.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 - роторная объемная машина, выполненная в виде двигателя внутреннего сгорания, поперечное сечение;

на фиг.2 -сечение А-А на фиг.1;

на фиг.3 - внешний вид двигателя внутреннего сгорания без статора;

на фиг.4 - внешний вид двигателя внутреннего сгорания со статором;

на фиг.5 - роторная объемная машина, выполненная в виде парового или пневмодвигателя, поперечное сечение;

на фиг.6 - внешний вид показанной на фиг.5 роторной объемной машины без статора;

на фиг.7 - внешний вид показанной на фиг.5 роторной объемной машины со статором;

на фиг.8 - роторная объемная машина, выполненная в виде компрессора или вакуумного насоса, поперечное сечение;

на фиг.9 - внешний вид показанной на фиг.8 роторной объемной машины без статора;

на фиг.10 - внешний вид показанной на фиг.8 роторной объемной машины со статором.

Предлагаемая роторная объемная машина содержит ротор 1 (фиг.1) с рабочей поверхностью 2, представляющей собой поверхность части тора 3 (пунктирной линией 3 на фиг.1 обозначена отсутствующая в конструкции машины часть радиального сечения указанного тора), образуемой от вращения сектора круга с радиусом Rp и углом α вокруг оси I-I вращения ротора 1 при расположении указанного сектора круга со стороны оси I-I, и с многовитковой спиральной канавкой 4, выполненной на его рабочей поверхности 2, статор 5, прилегающий к рабочей поверхности 2 ротора 1 с образованием закрытого многовиткового спирального канала 6 для прохода рабочей среды, ограниченного стенками спиральной канавки 4 ротора 1 и внутренней поверхностью статора 5, и выполненный с прорезью 7 (фиг.2), расположенной в плоскости оси I-I, и затвор 8, выполненный в виде расположенного также в плоскости оси I-I диска 9 (фиг.3) с равномерно и радиально расположенными по его периметру и плотно входящими в прорезь 7 статора 5 выступами 10, прилегающими к поверхности спиральной канавки 4 ротора 1 на всем ее радиальном сечении и взаимодействующими с указанной поверхностью с вращением затвора 8 вокруг его оси II-II (фиг.2) в направлении, обозначенном стрелкой δ. При этом выступы 10 затвора 8 разделяют многовитковый спиральный канал 6 на несколько рабочих камер 11 (фиг.2), каждая из которых заключена между двумя смежными выступами 10 указанного затвора, ось II-II затвора 8 является касательной к осевой окружности тора 3, радиус R которой превышает радиус Rз окружности, проведенной в плоскости диска 9 затвора 8 через вершины выступов 10 последнего, на статоре 5 выполнены расположенные с разных сторон его прорези 7 впускное 12 и выпускное 13 окна, сообщающиеся с многовитковым спиральным каналом 6, а с каждой стороны затвора 8 закреплена соосно с диском 9 полуось 14 (фиг.4), которая может быть установлена на подшипнике (не показан), размещенном в опоре (не показана), закрепленной неподвижно, например на статоре 5. Радиальное сечение спиральной канавки 4 ротора 1 имеет преимущественно форму полукруга радиусом r, при которой внешняя часть 15 каждого выступа 10 затвора 8, взаимодействующая с поверхностью спиральной канавки 4 ротора 1, выполнена сферообразной формы того же радиуса r с двумя плоскими боковыми сторонами 16, каждая из которых расположена параллельно плоскости диска 9 и выступает над его боковой поверхностью или лежит в плоскости последней. Прорезь 7 статора 5 имеет форму поперечного сечения части затвора 8, входящей в данную прорезь. При этом в случае, когда затвор 8 выполнен таким образом, что боковые стороны 16 его выступов 10 лежат в плоскости боковых сторон диска 9, прорезь 7 статора 5 выполняется одинаковой ширины по всей ее длине, причем указанная ширина прорези 7 равна толщине диска 9, а в случае, когда затвор 8 выполнен с выступанием боковых сторон 16 его выступов 10 над боковой поверхностью диска 9, концевые участки прорези 7 статора 5, через которые проходят выступы 10 затвора 8, выполняются более широкими, чем остальная часть прорези 7, через которую проходит диск 9, причем ширина каждого из указанных концевых участков прорези 7 выполняется равной расстоянию между боковыми сторонами 16 каждого выступа 10 затвора 8. Для обеспечения герметичности рабочих камер 11 радиус окружности, проведенной в плоскости диска 9 затвора 8 через углубления 17, разделяющие смежные выступы 10 последнего, равен радиусу Rp рабочей поверхности 2 ротора 1. Для снижения металлоемкости роторной машины наружная поверхность 18 (фиг.1) ротора 1 выполнена в виде части тора 19 (пунктирной линией 19 на фиг.1 обозначена отсутствующая в конструкции машины часть радиального сечения указанного тора), расположенного снаружи и коаксиально по отношению к тору 3. При этом указанная поверхность 18 расположена напротив рабочей поверхности 2 ротора 1 в зоне угла α. Вместе с тем для снижения металлоемкости роторной машины наружная поверхность статора 5 выполнена концентрично его внутренней поверхности, примыкающей к рабочей поверхности 2 ротора 1.

Величина угла α (фиг.1) сектора круга, образующего при своем вращении вокруг оси I-I рабочую поверхность 2 ротора 1, и расположение указанного сектора относительно экваториальной плоскости тора 3, перпендикулярной оси I-I и делящей тор 3 на две равные половины, а также расположение впускного 12 и выпускного 13 окон статора 5 относительно ротора 1 и направление вращения последнего и/или направление спиральной канавки 4 ротора 1 относительно направления его вращения выбираются в зависимости от варианта конструктивного исполнения машины, определяемого выполняемыми ею функциями.

При конструктивном исполнении предлагаемой роторной машины в виде двигателя внутреннего сгорания указанный угол α делится на две части экваториальной плоскостью тора 3. Одна из этих частей составляет угол β, выполненный в соответствии с соотношением

360°/N<β≤180°,

где N - количество выступов 10 на затворе 8, а вторая - угол γ, выполненный в соответствии с соотношением

360°/N<γ≤180°,

при условии, что при любом значении углов β и γ, соответствующем указанным соотношениям, их сумма, равная углу α, не может достигать 360°, поскольку при α=360° невозможен доступ к внешней стороне статора 5, необходимый для закрепления последнего на какой-либо станине в неподвижном положении относительно ротора 1, и невозможен также доступ к впускному 12 и выпускному 13 окнам статора 5, необходимый для подсоединения к указанным окнам соответственно впускного и выпускного трубопроводов (не показаны). Таким образом, указанные выше соотношения для углов β и γ выполняются при условии, что угол α меньше 360° на величину, необходимую для обеспечения возможности закрепления статора 5 в неподвижном положении относительно ротора 1 и обеспечения возможности доступа к впускному 12 и выпускному 13 окнам статора 5.

При этом впускное окно 12 расположено вблизи края ротора 1, расположенного в зоне угла γ, выпускное окно 13 расположено вблизи края ротора 1, расположенного в зоне угла β, а направление спиральной канавки 4 относительно направления вращения ротора 1, обозначенного на фиг.3 стрелкой ω, и направление вращения ротора 1 при запуске двигателя выбираются таким образом, чтобы каждая рабочая камера 11 многовиткового спирального канала 6, заключенная между двумя смежными выступами 10 затвора 8, в такте всасывания и сжатия рабочей смеси, поступающей в указанную рабочую камеру через впускное окно 12 статора 5, перемещалась от одного края ротора 1, вблизи которого расположено впускное окно 12 статора 5, к оси I-I вращения ротора 1, а в такте рабочего хода и выпуска отработавших продуктов сгорания через выпускное окно 13 статора 5 - от оси I-I вращения ротора 1 к его второму краю, вблизи которого расположено выпускное окно 13. Для обеспечения воспламенения рабочей смеси в рабочих камерах 11 спирального канала 6 двигатель снабжен системой зажигания (не показана) с, по меньшей мере, одной свечой зажигания, установленной на статоре 5 в зоне экваториальной плоскости тора 3 и входящей в спиральный канал 6. Кроме того, двигатель снабжен системой запуска (не показана), обеспечивающей вращение вала 20 при запуске двигателя.

При конструктивном исполнении предлагаемой машины в виде парового или пневмодвигателя угол α (фиг.5) сектора круга, образующего при своем вращении вокруг оси I-I рабочую поверхность 2 ротора 1, выполнен в соответствии с соотношением

360°/N<α≤180°,

и упомянутый сектор круга расположен по одну сторону от экваториальной плоскости тора 3, при этом впускное окно 12 (фиг.7) статора 5 расположено вблизи оси I-I вращения ротора 1, выпускное окно 13 статора 5 расположено на периферии ротора, а направление спиральной канавки 4 ротора 1 относительно направления его вращения, обозначенного на фиг.6 стрелкой ω, выбирается таким образом, чтобы каждая рабочая камера 11 многовиткового спирального канала 6, заключенная между двумя смежными выступами 10 затвора 8, в такте впуска и расширения рабочей среды, поступающей в указанную рабочую камеру через впускное окно 12 статора 5, перемещалась от оси I-I вращения ротора 1 к его периферии с сообщением данной камеры с выпускным окном 13 статора 5 в конце такта расширения.

При конструктивном исполнении предлагаемой машины в виде компрессора или вакуумного насоса угол α (фиг.8) сектора круга, образующего при своем вращении вокруг оси I-I рабочую поверхность 2 ротора 1, выполнен в соответствии с соотношением

360°/N<α≤180°,

и упомянутый сектор круга расположен по одну сторону от экваториальной плоскости тора 3, при этом впускное окно 12 статора 5 расположено на периферии ротора 1, выпускное окно 13 статора 5 расположено вблизи оси I-I вращения ротора 1, а направление спиральной канавки 4 ротора 1 относительно направления его вращения, обозначенного на фиг.11 стрелкой ω, выбирается таким образом, чтобы каждая рабочая камера 11 многовиткового спирального канала 6, заключенная между двумя смежными выступами 10 затвора 8, в такте всасывания и сжатия рабочей среды, поступающей в указанную рабочую камеру через впускное окно 12 статора 5, перемещалась от периферии ротора 1 к оси I-I его вращения с сообщением данной рабочей камеры с выпускным окном 13 статора 5 в конце такта сжатия. В случае использования предлагаемой роторной машины в качестве компрессора впускное окно 12 сообщается с атмосферой или с источником какого-либо газа, а при использовании указанной машины в качестве вакуумного насоса впускное окно 12 сообщается с полостью, в которой необходимо создать нужное разряжение.

Во всех представленных конструктивных исполнениях предлагаемой роторной машины ее ротор 1 снабжен соосным с осью I-I его вращения валом 20 (фиг.1, 5 и 8), служащим для отбора мощности - при исполнении машины в виде двигателя внутреннего сгорания и парового или пневмодвигателя или для привода ротора 1 - при исполнении машины в виде компрессора или вакуумного насоса.

Роторная объемная машина работает следующим образом.

При ее исполнении в виде двигателя внутреннего сгорания (фиг.1-4) с помощью системы запуска ротор 1 приводится в начальное вращение вокруг оси I-I в направлении, отмеченном стрелкой ω. При этом вращающаяся спиральная канавка 4 ротора 1 взаимодействует с выступами 10 затвора 8, приводя последний во вращение вокруг оси II-II в направлении, отмеченном стрелкой δ. В процессе вращения ротора 1 и взаимодействующего с ним затвора 8 топливная смесь через впускное окно 12 поступает в расположенную напротив этого окна рабочую камеру 11 спирального канала 6, которая при вращении ротора 1 увеличивается в объеме с одновременным всасыванием в нее рабочей топливной смеси. При совершении ротором 1 полного оборота вокруг оси I-I протяженность указанной рабочей камеры 11 канала 6 возрастает до полного витка спиральной канавки 4 ротора 1, после чего такт всасывания в ней завершается, и она замыкается с двух сторон смежными выступами 10 затвора 8, а место напротив впускного окна 12 занимает следующая рабочая камера 11 спирального канала 6. При дальнейшем повороте ротора 1 рабочая камера 11, наполненная рабочей смесью, вместе с ограничивающими ее выступами 10 затвора 8 перемещается в сторону оси I-I вращения ротора 1, что приводит к уменьшению ее объема и сжатию находящейся в ней рабочей смеси. При достижении указанной рабочей камерой 11 оси I-I такт сжатия в ней завершается, и сжатая рабочая смесь зажигается (например, с помощью свечи зажигания), после чего при дальнейшем вращении ротора 1 в данной рабочей камере 11, движущейся в зоне ротора 1, ограниченной углом γ (фиг.1), от оси I-I вращения ротора 1 к его периферии, осуществляется такт рабочего поворота ротора (аналогичный такту рабочего хода в поршневом двигателе внутреннего сгорания), при котором объем указанной рабочей камеры 11 увеличивается, а находящиеся в ней продукты сгорания рабочей смеси в виде отработавших газов расширяются, совершая полезную работу. При этом силы от давления, формируемого в указанной рабочей камере 11 при сгорании в ней рабочей смеси, действуют на стенки спиральной канавки 4 ротора 1, создавая на последнем рабочий крутящий момент, который передается на вал отбора мощности 20 и действует в направлении, совпадающем с направлением вращения ротора 1 в момент запуска двигателя. После соединения указанной рабочей камеры 11 с выпускным окном 13 такт рабочего поворота ротора в данной рабочей камере 11 канала 6 заканчивается, и начинается такт выхлопа продуктов сгорания с одновременным снижением объема указанной рабочей камеры 11. Такт выхлопа в упомянутой рабочей камере 11 завершается после снижения ее рабочего объема до нуля. При этом в такте выхлопа отработавшие газы полностью вытесняются из указанной рабочей камеры 11 канала 6 за один оборот ротора 1.

Регулировка рабочего объема двигателя, степени сжатия рабочей смеси и степени расширения отработавших газов может осуществляться за счет изменения величины геометрических параметров R, Rp, Rз, r, α, β и γ двигателя и количества N выступов 10 затвора 8, а регулировка фаз газораспределения двигателя - за счет изменения величины расстояния от оси I-I до впускного 12 и выпускного 13 окон статора 5.

При конструктивном исполнении предлагаемой роторной машины в виде парового или пневмодвигателя (фиг.5-7) внутрь рабочей камеры 11 спирального канала 6, сообщающейся с впускным окном 12 и ограниченной двумя смежными выступами 10 затвора 8, через впускное окно 12 подается под давлением сжимаемая рабочая среда в виде горячего пара (при использовании машины в качестве парового двигателя) или сжатого воздуха или какого-либо газа (при использовании машины в качестве пневмодвигателя). Под действием давления рабочей среды на стенки спиральной канавки 4 ротор 1 начинает вращаться вокруг своей оси I-I в направлении, отмеченном стрелкой со, а его спиральная канавка 4, взаимодействующая с выступами 10 затвора 8, приводит последний во вращение в направлении, отмеченном стрелкой δ. При этом указанная рабочая камера 11 спирального канала 6 перемещается вместе с ограничивающими ее смежными выступами 10 затвора 8 от оси I-I в сторону периферии ротора 1 с увеличением своего объема, который заполняется рабочей средой до тех пор, пока ротор 1 не совершит полный оборот вокруг оси I-I, после чего данная рабочая камера 11 разобщается с впускным окном 12, и такт всасывания в ней заканчивается, а впускное окно 12 сообщается со следующей рабочей камерой 11 спирального канала 6. В процессе дальнейшего вращения ротора 1 заполненная рабочей средой рабочая камера 11 канала 6 продолжает перемещаться вместе с ограничивающими ее смежными выступами 10 затвора 8 к периферии ротора 1 с увеличением своего объема, что приводит к расширению и остыванию находящейся в ней рабочей среды, оказывающей давление на стенки спиральной канавки 4 ротора 1, приводящее последний во вращение - происходит такт рабочего поворота ротора 1. Таким образом, в процессе расширения и остывания рабочей среды в указанной рабочей камере 11 спирального канала 6 ее внутренняя энергия преобразуется в кинетическую энергию вращения ротора 1, создавая на последнем рабочий крутящий момент, который передается на вал отбора мощности 20. Такт рабочего поворота ротора 1 заканчивается в момент, когда один из ограничивающих указанную рабочую камеру 11 выступов 10 затвора 8 приблизится к внешнему краю ротора 1 и данная рабочая камера канала 6 соединится с выпускным окном 13, что соответствует началу такта выхлопа отработавшей рабочей среды из указанной рабочей камеры 11 через выпускное окно 13. В ходе такта выхлопа, продолжающегося в течение одного оборота ротора 1, указанная рабочая камера 11 уменьшается в объеме и из нее полностью вытесняется отработавшая рабочая среда.

При конструктивном исполнении предлагаемой роторной машины в виде компрессора или вакуумного насоса (фиг.8-10) ротор 1 получает вращение от приводного вала 20 в направлении, отмеченном стрелкой ω, а его спиральная канавка 4, взаимодействующая с выступами 10 затвора 8, приводит последний во вращение в направлении, отмеченном стрелкой δ. При этом рабочая камера 11 спирального канала 6, ограниченная двумя смежными выступами 10 затвора 8, перемещается вместе с указанными выступами 10 от периферии ротора 1 в сторону его оси I-I с увеличением своего объема, который заполняется рабочей средой (воздухом или газом) до тех пор, пока ротор 1 не совершит полный оборот вокруг оси I-I, после чего данная рабочая камера 11 разобщается с впускным окном 12, и ее наполнение рабочей средой прекращается, а впускное окно 12 сообщается со следующей рабочей камерой 11 спирального канала 6. В процессе дальнейшего вращения ротора 1 заполненная рабочей средой рабочая камера 11 канала 6 продолжает перемещаться вместе с ограничивающими ее смежными выступами 10 затвора 8 к оси I-I ротора 1 с уменьшением своего объема, что приводит к сжатию находящейся в ней рабочей среды. Такт сжатия в рабочей камере 11 заканчивается в момент, когда один из ограничивающих указанную камеру выступов 10 затвора 8 приблизится к оси I-I ротора 1 и данная рабочая камера соединится с выпускным окном 13, что соответствует началу такта выпуска сжатой рабочей среды из указанной рабочей камеры 11 через выпускное окно 13. В ходе такта выпуска, продолжающегося в течение одного оборота ротора 1, указанная рабочая камера 11 уменьшается в объеме и из нее полностью вытесняется рабочая среда.

Выполнение выступов 10 затвора 8 сферообразной формы и выполнение взаимодействующей с указанными выступами спиральной канавки 4 ротора 1 в ее радиальном сечении в форме полукруга позволяет упростить изготовление ротора 1 и затвора 8, благодаря чему упрощается изготовление роторной машины и снижается ее стоимость. Указанная форма выполнения выступов 10 затвора 8 и спиральной канавки 4 ротора 1 позволяет также повысить герметичность стыка между выступами 10 и канавкой 4, за счет чего повышается кпд и мощность машины. Вместе с тем выполнение роторной машины с изменяемой величиной геометрических параметров R, Rp, Rз, r, α, β и γ, с переменным количеством N выступов 10 затвора 8 и изменяемой величиной расстояния от оси I-I вращения ротора 1 до впускного 12 и выпускного 13 окон статора 5 обеспечивает возможность регулировки в широких пределах рабочего объема роторной машины, фаз газораспределения, степени сжатия и степени расширения рабочей среды в ее спиральном канале 6, благодаря чему расширяются функциональные возможности роторной машины, что проявляется в возможности создания на базе предлагаемой роторной машины двигателя внутреннего сгорания, парового или пневмодвигателя, компрессора и вакуумного насоса.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, паровых и пневмодвигателях, компрессорах и вакуумных насосах. Машина содержит ротор с многовитковой спиральной канавкой на рабочей поверхности, статор с прорезью, плотно входящий в неё затвор, выполненный в виде диска с выступами, взаимодействующими со спиральной канавкой ротора. Радиальное сечение спиральной канавки ротора имеет преимущественно форму полукруга, при которой внешняя часть каждого выступа затвора, взаимодействующая с поверхностью спиральной канавки ротора, выполнена сферообразной формы, а величина угла упомянутого сектора круга и расположение последнего относительно экваториальной плоскости упомянутого тора, а также расположение впускного и выпускного окон статора относительно ротора и направление вращения последнего и/или направление спиральной канавки ротора относительно направления его вращения выбираются в зависимости от конструктивного исполнения машины, определяемого выполняемыми ею функциями. Изобретение позволяет упростить изготовление, повысить кпд и расширить функциональные возможности машины. 5 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Роторная объемная машина, содержащая ротор с рабочей поверхностью, представляющей собой поверхность части тора, образуемой от вращения сектора круга вокруг оси вращения ротора при расположении указанного сектора круга со стороны оси вращения ротора, и с многовитковой спиральной канавкой, выполненной на его рабочей поверхности, статор, плотно прилегающий к рабочей поверхности ротора с образованием закрытого многовиткового спирального канала для прохода рабочей среды, ограниченного стенками спиральной канавки ротора и внутренней поверхностью статора, и выполненный с прорезью, расположенной в плоскости оси вращения ротора, и затвор, выполненный в виде расположенного в той же плоскости и плотно входящего в прорезь статора диска с равномерно и радиально расположенными по его периметру выступами, плотно прилегающими к поверхности спиральной канавки ротора на всем ее радиальном сечении, взаимодействующими с этой поверхностью с вращением затвора и разделяющими внутренний объем упомянутого спирального канала на рабочие камеры, каждая из которых заключена между двумя смежными выступами затвора, при этом ось затвора является касательной к осевой окружности упомянутого тора, радиус которой превышает радиус окружности, проведенной в плоскости диска затвора через вершины его выступов, а на статоре выполнены расположенные с разных сторон его прорези впускное и выпускное окна, сообщающиеся с упомянутым многовитковым спиральным каналом, отличающаяся тем, что радиальное сечение спиральной канавки ротора имеет преимущественно форму полукруга, при которой внешняя часть каждого выступа затвора, взаимодействующая с поверхностью спиральной канавки ротора, выполнена сферообразной формы, при этом величина угла α упомянутого сектора круга и расположение последнего относительно экваториальной плоскости упомянутого тора, а также расположение впускного и выпускного окон статора относительно ротора и направление вращения последнего и/или направление спиральной канавки ротора относительно направления его вращения выбираются в зависимости от конструктивного исполнения машины, определяемого выполняемыми ею функциями.2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что наружная поверхность ротора выполнена концентрично его рабочей поверхности.3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что наружная поверхность статора выполнена концентрично его внутренней поверхности, примыкающей к рабочей поверхности ротора.4. Машина по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что при ее конструктивном исполнении в виде двигателя внутреннего сгорания упомянутый угол α делится экваториальной плоскостью упомянутого тора на две части, одна из которых составляет угол β, выполненный в соответствии с соотношением

360°/N<β≤180°,

где N - количество выступов на затворе,

а вторая - угол γ, выполненный в соответствии с соотношением

360°/N<γ≤180°,

при условии, что при любом значении углов β и γ, соответствующем указанным соотношениям, угол α меньше 360° на величину, необходимую для обеспечения возможности закрепления статора в неподвижном положении относительно ротора и обеспечения возможности доступа к впускному и выпускному окнам статора, при этом впускное окно статора расположено вблизи края ротора, расположенного во второй части угла α, выпускное окно статора расположено вблизи края ротора, расположенного в первой части угла α, а направление спиральной канавки ротора относительно направления его вращения и направление вращения ротора при запуске двигателя выбираются таким образом, чтобы каждая рабочая камера многовиткового спирального канала в такте всасывания и сжатия рабочей смеси, поступающей в указанную рабочую камеру через впускное окно статора, перемещалась от одного края ротора, вблизи которого расположено впускное окно статора, к оси вращения ротора, а в такте рабочего хода и выпуска отработавших продуктов сгорания через выпускное окно статора - от оси вращения ротора к его второму краю, вблизи которого расположено выпускное окно статора.

360°/N<α≤180°,

при этом впускное окно статора расположено вблизи оси вращения ротора, выпускное окно статора расположено на периферии ротора, а направление спиральной канавки ротора относительно направления его вращения выбирается таким образом, чтобы каждая рабочая камера многовиткового спирального канала в такте впуска и расширения рабочего тела, поступающего в указанную рабочую камеру через впускное окно статора, перемещалась от оси вращения ротора к его периферии с сообщением с выпускным окном статора в конце такта расширения.

360°/N<α≤180°,

при этом впускное окно статора расположено на периферии ротора, выпускное окно статора расположено вблизи оси вращения ротора, а направление спиральной канавки ротора относительно направления его вращения выбирается таким образом, чтобы каждая рабочая камера многовиткового спирального канала в такте всасывания и сжатия рабочего тела, поступающего в указанную рабочую камеру через впускное окно статора, перемещалась от периферии ротора к оси его вращения с сообщением с выпускным окном статора в конце такта сжатия.