РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК F01C1/07 F01C1/77 

Изобретение относится к области конструирования роторно-поршневых объемных машин, в частности двигателей, компрессоров, насосов, и может быть использовано, в частности, в автомобилестроении и авиации.

Известна конструкция объемной машины (пат. США №3592571, оп.13.07.1971 г.), содержащая два цилиндрических корпуса. Первый корпус - рабочая часть - выполнен с впускными и выпускными окнами. Внутри него размещены с возможностью вращения две втулки с лопастями и подвижными боковыми крышками, образующие рабочие камеры. Первый цилиндрический корпус связан через указанные втулки и вал со вторым цилиндрическим корпусом, в котором размещен механизм синхронизации, содержащий полое водило с системой рычагов, коленвалов, сателлитов, тяг и солнечное колесо. Втулки и вал осуществляют кинематическую связь с выходным валом. При этом солнечное колесо жестко соединено со вторым корпусом.

Недостатками данной конструкции являются:

- недостаточная надежность уплотнения рабочих камер, вследствие наличия стыка между двумя соосными втулками, а также наличия подвижных боковых крышек, что усложняет систему уплотнения рабочих камер и ухудшает компрессионные характеристики двигателя,

- кроме того, наличие подвижных боковых крышек усложняет систему их охлаждения, а также охлаждения втулок и поршней,

- недостаточная жесткость, вследствие возникновения изгибающего момента на выходном валу, связанная с консольным закреплением выходного вала, что увеличивает вибрацию двигателя,

- большие габариты, вследствие того, что рабочая часть и механизм синхронизации находятся в двух отдельных корпусах, что также снижает жесткость конструкции, повышает вибрацию двигателя.

Несмотря на известные преимущества роторно-поршневых машин, которыми обладает указанная объемная машина, вследствие отмеченных недостатков, особенно из-за невысоких компрессионных характеристик, использование этой машины в качестве двигателя малоэффективно.

Известна роторно-поршневая машина (патент РФ №2084641, оп. 20.07.1997 г.), рабочая часть которой содержит цилиндрический корпус, жестко соединенный с боковыми стенками, втулочный элемент, состоящий их двух соосных втулок одинакового диаметра, с жестко закрепленными на них лопастями (поршнями), установленными с возможностью вращения внутри корпуса с образованием рабочих камер и кинематически связанными с выходным валом посредством механизма синхронизации, включающего тяги, саттелит с кривошипами, водило и солнечное колесо, при этом кривошипы расположены диаметрально и жестко закреплены на сателлите. Солнечное колесо жестко связано с корпусом, а водило жестко соединено с выходным валом. Механизм синхронизации размещен в полости втулок.

Недостатками известной машины являются:

- недостаточная надежность системы уплотнения рабочих камер и недостаточные компрессионные характеристики двигателя по причине наличия двух втулок и стыка между ними, что требует необходимости обеспечения уплотнения не только торцов втулок в месте сопряжения их с боковыми стенками корпуса, но еще дополнительно и необходимости обеспечения уплотнения стыка между втулками, что усложняет систему уплотнения, ухудшает компрессионные характеристики двигателя и приводит к наличию трения в месте стыка между втулками, кроме того, возникновение несоосности втулок из-за разности оказываемых на них реактивных сил со стороны тяг механизма синхронизации ведет к нарушению уплотнения по плоскости сопряжения между втулками и поршнем, что также ухудшает компрессионные характеристики двигателя,

- повышенные механические нагрузки на втулки, возникающие вследствие того, что крутящий момент от поршней (лопастей), жестко закрепленных на двух соосных втулках, передается на выходной вал посредством механизма синхронизации непосредственно через эти втулки, что приводит к появлению повышенных механических нагрузок во втулках и делает необходимым выполнять их более прочными, т.е. делать стенки втулок более толстыми и массивными, а это, в свою очередь, ухудшает, например, условия их охлаждения, что ведет к повышенному нагреву втулок и, как следствие, увеличению износа элементов рабочей части, а также увеличению инерционных нагрузок на механизм синхронизации, вызванных утолщением стенок,

- повышенное радиальное биение поршней (лопастей) о внутреннюю поверхность корпуса двигателя, вследствие того, что реактивные силы от механизма синхронизации через тяги и втулки действуют непосредственно на поршни, прижимая их к корпусу, тем самым увеличивая трение поршней о корпус, а так как величина реактивных сил изменяется во времени, это приводит к радиальному биению поршней, увеличению вибрации двигателя и увеличению нагрузок на уплотнительные элементы поршней,

- недостаточная жесткость выходного вала, связанная с его консольным закреплением и возникновением вследствие этого изгибающего момента на выходном валу, что приводит к увеличению радиального биения поршней, дополнительному увеличению вибрации двигателя, и повышенному износу подшипника вала,

- чрезмерно большие габариты в радиальном от центрального вала направлении, вследствие использования компоновки двигателя, где механизм синхронизации расположен в полости втулок, что значительно увеличивает размер двигателя в поперечном сечении и увеличивает инерционные нагрузки на поршни двигателя и, как следствие, увеличивает нагрузки на механизм синхронизации,

- кроме того, размещение механизма синхронизации в полости соосных втулок усложняет технологию сборки двигателя.

Вследствие отмеченных недостатков использование известной машины в качестве двигателя малоэффективно.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является роторно-поршневой двигатель (патент US 5527165А, F01C 1/077, 1996), содержащий корпус, рабочая часть которого включает цилиндрический корпус, боковые стенки и имеет впускные и выпускные окна, внутри которой размещены с возможностью вращения и участия в образовании рабочих камер, поршни 68, 82 и установленные на валу 144 с возможностью вращения два диска 66, 80. При этом поршни 68, 82 жестко связаны с дисками 66 и 80 соответственно, которые посредством рычагов 106, 108 кинематически связаны через механизм синхронизации с валом 28.

Вал двигателя выполнен составным из двух консольно установленных частей - вала 28 и вала 144, и имеет промежуточную опору.

Недостатками данной конструкции являются недостаточная надежность уплотнения рабочих камер, вследствие наличия стыка между соосными дисками, что усложняет систему уплотнения рабочих камер и ухудшает компрессионные характеристики двигателя. Также к недостаткам относится недостаточная жесткость вала, обусловленная выполнением его составным из двух консольно установленных частей с промежуточной опорой, следствием чего является возникновение изгибающего момента на валу двигателя, что увеличивает вибрацию двигателя и повышает нагрузки на элементы рабочей части двигателя и механизма синхронизации, усложняет конструкцию и сборку двигателя.

Задачей, на решение которой направлено данное техническое решение, является устранение недостатков прототипа, благодаря чему достигается увеличение КПД роторно-поршневых двигателей, за счет улучшения компрессионных характеристик двигателя, снижения нагрузок на элементы рабочей части двигателя (в том числе на уплотнительные элементы) и на механизм синхронизации, снижения трения в рабочей части двигателя.

Поставленная задача достигается тем, что в роторно-поршневом двигателе, содержащем корпус, рабочая часть которого включает цилиндрический корпус, боковые стенки и имеет впускные и выпускные окна, внутри которой размещены с возможностью вращения и участия в образовании рабочих камер, как минимум, два поршня, при этом поршни кинематически связаны посредством механизма синхронизации с расположенным в корпусе двигателя выходным валом, двигатель снабжен установленными на выходном валу двумя промежуточными элементами, по меньшей мере, один из которых установлен с возможностью вращения, каждый из которых выполнен в виде ступицы, жестко связанной с соответствующим поршнем, по меньшей мере, одна их которых снабжена рычагом, кинематически связанным с механизмом синхронизации, согласно изобретению, внутри рабочей части установлен втулочный элемент с возможностью вращения и образования рабочих камер совместно с рабочей частью корпуса и поршнями, причем втулочный элемент выполнен в виде одной втулки, при этом каждый поршень жестко связан со ступицей через окна во втулке, например, с помощью центрирующих пальцев, а выходной вал установлен в корпусе двигателя с возможностью вращения в двух опорах.

Корпус двигателя состоит из двух частей - рабочей части и картера, жестко связанных друг с другом.

Механизм синхронизации установлен в полости картера.

Установка внутри рабочей части втулочного элемента, выполненного в виде одной втулки, с возможностью вращения и образования рабочих камер совместно с рабочей частью корпуса и поршнями, каждый из которых жестко связан со ступицей через окна во втулке, например, с помощью центрирующих пальцев, упрощает систему уплотнения, т.к. уплотняются только торцы втулки в месте сопряжения ее с боковыми стенками корпуса, а также обеспечивается более надежное уплотнение по плоскости сопряжения втулки с поршнями в процессе работы двигателя, что приводит к улучшению компрессионных характеристик двигателя, снижению трения в рабочей части двигателя.

В отличие от прототипа, где вал двигателя выполнен из двух консольно установленных частей с промежуточной опорой, что приводит к появлению изгибающего момента на валу двигателя, повышенной вибрации двигателя, радиальному биению поршней о корпус двигателя, повышенному износу подшипников вала, в заявляемой конструкции установка выходного вала в корпусе двигателя с возможностью вращения в двух опорах, т.е. выполнение выходного вала полноопорным, делает конструкцию двигателя более жесткой, уменьшает вибрацию двигателя, тем самым снижает нагрузки на элементы рабочей части двигателя и механизма синхронизации. При этом конструкция двигателя становится более технологичной в изготовлении и сборке.

На фиг.1 представлен продольный разрез роторно-поршневого двигателя

Нафиг.2 - разрез А-А на фиг.1,

На фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1, фиг.5, фиг.7, механизм синхронизации, кинематическая схема,

На фиг.4 представлен в увеличенном масштабе вариант исполнения уплотнения рабочей части двигателя,

На фиг.5 представлен продольный разрез двигателя, кинематическая схема,

На фиг.6 - разрез В-В на фиг.5,

На фиг.7 представлен продольный разрез варианта двигателя с втулочным элементом, выполненным из двух соосных втулок, кинематическая схема.

На фиг.8 - разрез Г-Г на фиг.7

На фиг.9. - разрез Д-Д на фиг.7

Роторно-поршневой двигатель содержит корпус, состоящий из двух, жестко связанных частей, одна из которых является рабочей частью, а вторая является картером. Рабочая часть корпуса содержит цилиндрический корпус 1, боковые стенки 2, 3, при этом стенка 2 является смежной для рабочей части и картера, втулку 4, поршни 5,6, имеющие форму кольцевых сегментов, установленные в рабочей части корпуса с возможностью вращения и образованием изолированных рабочих камер 7,8. Боковые стенки 2,3 жестко соединены с корпусом 1. Поршни 5,6 кинематически связаны с выходным валом 9, который выполнен полноопорным, т.е. установленным с возможностью вращения в двух опорах, например подшипниках. Одна из опор выполнена в боковой стенке 3 корпуса, а другая - в корпусе картера. Выполнение выходного вала цельным является предпочтительным вариантом.

На выходном валу 9 установлены два промежуточных элемента, по крайней мере, один из которых имеет возможность вращения на указанном валу. Каждый промежуточный элемент выполнен в виде ступиц 10, 11, жестко связанных с рычагами 12, 13 соответственно.

Поршни 5,6 жестко связаны, например, с помощью центрирующих пальцев 14, через окна 15, 16 во втулке 4 каждый со своей ступицей 10, 11 соответственно. В корпусе 1 выполнены впускные и выпускные окна 17, 18.

Рычаги 12, 13 через тяги 19, 20 связаны с кривошипным валом 21, на котором закреплена шестерня 22, которая находится в зацеплении с зубчатым колесом 23. Кривошипный вал 21 с шестерней 22 свободно вращается в опоре 24 центрального водила 25, которое жестко закреплено на выходном валу 9.

Промежуточный элемент может быть выполнен в виде нескольких жестко связанных между собой ступиц, что дает возможность выполнения варианта двигателя, имеющего несколько секций рабочей части.

Возможен вариант, когда одна из ступиц 10 или 11, которая жестко закреплена на валу 9, выполняется без рычага 12 или 13 соответственно. При этом из механизма синхронизации исключается одна из соответствующих этому рычагу тяг 19 или 20.

В полости картера установлен механизм синхронизации, содержащий тяги 19, 20, кривошипный вал 21, шестерню 22, зубчатое колесо 23, опору 24, центральное водило 25.

Уплотнение стыков между торцами втулки 4 и боковыми стенками 2,3 рабочей части двигателя осуществляется с помощью уплотнительных колец 26, подпружиненных кольцевыми эспандерными пружинами 27. В боковых стенках рабочей части установлены втулки 28, 29, рабочие торцы которых, соприкасаясь с торцами уплотнительных колец 26, создают дополнительное уплотнение стыка с торцом втулки 4.

Уплотнение поршня 5 или 6 по внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1, наружной поверхности втулки 4, а также по поверхностям боковых стенок 2, 3 осуществлено с помощью двух L-образных уплотнительных пластин 30, 31, которые в сборе образуют прямоугольную рамку. L-образные уплотнительные пластины 30, 31 прижимаются к указанным уплотняемым поверхностям рабочей части с помощью эспандерных пружин 32.

Описанная выше конструкция двигателя не исключает возможности исполнения в отдельных случаях втулочного узла в виде двух соосных втулок одинакового диаметра, предпочтительно, в объемных машинах, где главным показателем является высокая объемная производительность, а не высокие компрессионные характеристики.

Устройство работает следующим образом.

Крутящий момент, приложенный к выходному валу 9, одновременно перемещает закрепленное на выходном валу 9 центральное водило 25. Установленный в опоре 24 на центральном водиле 25 кривошипный вал 21, благодаря шестерне 22, обкатывающей неподвижно закрепленное на корпусе зубчатое колесо 23, вращается и, через связанные с ним тяги 19,20, рычаги 12,13, ступицы 10,11, центрирующие пальцы 14 перемещает поршни 5,6 в корпусе 1, осуществляя рабочий цикл двигателя.

Преимущества заявляемого изобретения следующие:

- увеличение КПД роторно-поршневых двигателей, за счет улучшения компрессионных характеристик двигателя, снижения нагрузок на элементы рабочей части двигателя и на механизм синхронизации, снижения трения в рабочей части двигателя, благодаря использованию в качестве втулочного элемента одной втулки и установке выходного вала в корпусе двигателя с возможностью вращения в двух опорах, т.е. выполнение выходного вала полноопорным,

- уменьшение вибрации двигателя,

- упрощение конструкции,

- создание конструкции более технологичной в изготовлении и сборке,

- возможность использования современных термостойких композитных материалов в изготовлении элементов рабочей части, за счет снижения нагрузок на элементы рабочей части,

- повышение надежности и долговечности двигателя.

Достигнутые преимущества позволяют использовать заявляемую конструкцию в качестве роторно-поршневого двигателя, обладающего высокими компрессионными характеристиками, высокой удельной мощностью, низкой вибрацией, высоким КПД, например в автомобилестроении и авиации.

Изобретение относится к роторно-поршневым объемным машинам. Роторно-поршневой двигатель содержит корпус, рабочая часть которого включает цилиндрический корпус, боковые стенки и имеет впускные и выпускные окна. Внутри рабочей части корпуса размещены с возможностью вращения и участия в образовании рабочих камер, как минимум, два поршня. Поршни кинематически связаны посредством механизма синхронизации с расположенным в корпусе двигателя выходным валом. Двигатель снабжен двумя промежуточными элементами, установленными на выходном валу. По меньшей мере, один из промежуточных элементов установлен с возможностью вращения. Каждый из промежуточных элементов выполнен в виде ступицы, жестко связанной с соответствующим поршнем. По меньшей мере, одна из ступиц снабжена рычагом, кинематически связанным с механизмом синхронизации. Внутри рабочей части установлен втулочный элемент с возможностью вращения и образования рабочих камер совместно с рабочей частью корпуса и поршнями. Втулочный элемент выполнен в виде одной втулки. Каждый поршень жестко связан со ступицей через окна во втулке, например, с помощью центрирующих пальцев. Выходной вал установлен в корпусе двигателя с возможностью вращения в двух опорах. Техническим результатом является увеличение КПД, уменьшение вибрации, упрощение конструкции, повышение технологичности, надежности и долговечности двигателя. 2 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Роторно-поршневой двигатель, содержащий корпус, рабочая часть которого включает цилиндрический корпус, боковые стенки и имеет впускные и выпускные окна, внутри которой размещены с возможностью вращения и участия в образовании рабочих камер, как минимум, два поршня, при этом поршни кинематически связаны посредством механизма синхронизации с расположенным в корпусе двигателя выходным валом, двигатель снабжен установленными на выходном валу двумя промежуточными элементами, по меньшей мере, один из которых установлен с возможностью вращения, каждый из которых выполнен в виде ступицы, жестко связанной с соответствующим поршнем, по меньшей мере, одна из которых снабжена рычагом, кинематически связанным с механизмом синхронизации, отличающийся тем, что внутри рабочей части установлен втулочный элемент с возможностью вращения и образования рабочих камер совместно с рабочей частью корпуса и поршнями, причем втулочный элемент выполнен в виде одной втулки, при этом каждый поршень жестко связан со ступицей через окна во втулке, например, с помощью центрирующих пальцев, а выходной вал установлен в корпусе двигателя с возможностью вращения в двух опорах.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что корпус двигателя состоит из двух частей - рабочей части и картера, жестко связанных друг с другом.

3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что механизм синхронизации установлен в полости картера.