УЗЕЛ РОТОРА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2016 года по МПК F01C3/08 F01C21/00 F02B55/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к кожуху роторного двигателя, причем кожух выполнен для вращения по меньшей мере с одним вращающимся элементом двигателя с целью уменьшения относительного вращательного движения между кожухом и связанным вращающимся элементом двигателя и значительного снижения результирующей утечки смазки в устройстве объемного типа.

Раскрытие изобретения

В настоящем документе предложен узел ротора, включающий вал, причем осевая нагрузка от задней части первого ротора, ось вращения которого не параллельна оси вращения указанного вала, передается на этот вал через первый упорный подшипник, ось вращения которого коаксиальна оси первого ротора, при этом первый упорный подшипник затем воздействует на клиновидную пластину с углом клина, равным углу между осью вращения первого ротора и осью вращения вала. Клиновидная пластина затем воздействует на второй упорный подшипник, имеющий ось вращения, которая коаксиальна оси вращения вала. Этот упорный подшипник затем воздействует на вторую упорную пластину, неподвижно закрепленную на валу. При этом корпус кожуха имеет внутреннюю сферическую поверхность, функционально выполненную так, что она окружает наружные сферические поверхности первого ротора, причем корпус кожуха вращается с некоторой угловой скоростью в том же направлении, что и первый ротор.

Узел ротора может быть выполнен так, что осевая нагрузка, воздействующая на первый ротор, передается на вал несущим элементом, выполненным таким образом, чтобы создавать растягивающие нагрузки вала.

Кроме того, в настоящем документе предложен узел ротора, содержащий несколько роторов, включая по меньшей мере первый и второй роторы. Каждый ротор имеет свою центральную ось, и эти оси не коллинеарны. На каждом роторе имеются выступы и впадины. Каждый из роторов, первый и второй, включает наружную поверхность, образующую часть сферической поверхности, сформированной таким образом, что все наружные частичные поверхности концентричны. Предложен корпус кожуха, включающий внутреннюю сферическую поверхность, функционально выполненную так, чтобы она окружала наружные сферические поверхности роторов, причем корпус кожуха вращается с некоторой угловой скоростью в том же направлении, что и роторы.

Вышеописанный узел ротора может быть выполнен таким образом, чтобы корпус кожуха включал несколько разделенных в осевом направлении элементов внутреннего кожуха для облегчения монтажа над наружными сферическими поверхностями первого и/или второго роторов.

Узел ротора может быть альтернативно выполнен с опорой корпуса кожуха на кольцевую втулку так, что радиальные силы от корпуса кожуха воспринимаются втулкой как растягивающие напряжения. Такая кольцевая втулка может включать несколько периферически разделенных элементов внутреннего кожуха для облегчения монтажа над наружными сферическими поверхностями роторов. Эта конструкция кожуха может быть выполнена с корпусом кожуха, окруженным втулкой так, что радиальные силы от корпуса кожуха воспринимаются как растягивающие напряжения во втулке. В одном из вариантов осуществления втулка соединяется с корпусом кожуха прессовой посадкой, которая создает направленную внутрь радиальную предварительную нагрузку на элементы внутреннего кожуха. Узел ротора может быть выполнен таким образом, чтобы корпус кожуха фиксировался относительно первого ротора так, что относительное движение имеет место только между корпусом кожуха и вторым ротором. Такой узел ротора может иметь корпус кожуха, выполненный одной объединенной неразъемной деталью с корпусом первого ротора. Альтернативно, корпус кожуха может вращаться вокруг оси, не совпадающей с осями первого и второго роторов.

Узел ротора может быть выполнен с корпусом кожуха, включающим одну или несколько поверхностей, содержащих радиальные отверстия такой формы, чтобы часть времени вращения они перекрывались выступами первого или второго ротора и не перекрывались выступами в остальное время вращения. В одном из вариантов осуществления эти отверстия перекрываются выступами второго ротора.

В одном из вариантов осуществления соответствующий объем между выступами увеличивается таким образом, что отверстия работают как отверстия впуска текучего агента. В альтернативном варианте соответствующий объем между выступами уменьшается таким образом, что отверстия работают как отверстия выпуска текучего агента.

В одном из вариантов осуществления роторы включают несколько периферически ориентированных уплотнений, которые контактируют с внутренней сферической поверхностью кожуха. Уплотнительные элементы могут включать принудительные контактные уплотнения, выбранные из группы, включающей механические уплотнения и полимерные манжетные уплотнения. Уплотнительные элементы могут альтернативно включать бесконтактные уплотнения, выбранные из группы, включающей лабиринтные уплотнения и механические уплотнения с газовой смазкой. Уплотнительные элементы включают одиночный монолитный уплотнительный элемент и могут быть выполнены одной неразъемной деталью с первым и/или вторым ротором. В одном из вариантов осуществления уплотнительные элементы включают несколько S-образных уплотнений.

В одном из вариантов осуществления уплотнительные элементы включают несколько плоскостных уплотнений так, что сами корпуса уплотнений изогнуты в одном направлении для контакта с внутренней усеченно-сферической поверхностью кожуха.

Для облегчения уплотнения один или несколько роторов могут включать радиальные канавки в вершине каждого выступа ротора, в которые входят несколько уплотнительных элементов, функционально выполненных для контакта с выступами противолежащего ротора, а также для контакта с внутренней шаровой поверхностью и с внутренней поверхностью корпуса кожуха. Само по себе, уплотнение вершины может контактировать с периферически ориентированными уплотнениями таким образом, чтобы работать как непрерывный уплотнительный элемент.

В одном из вариантов осуществления нагрузка, связанная с высоким давлением текучей среды между выступами, передается от опоры соответственного ротора через упорный подшипник на клиновидную пластину, которая соединена шпонкой с корпусом, и затем через другой упорный подшипник на пластину, которая неподвижно закреплена на валу и вращается с валом таким образом, что вал испытывает действие растягивающих нагрузок.

В другом варианте осуществления индексирующее устройство (устройство поворота ротора на определенный угол) интегрировано с кожухом для передачи крутящего момента между по меньшей мере одним из двух роторов, первым и/или вторым, и корпусом кожуха. Само по себе, индексирующее устройство может включать сферические шарики, выполненные для перекатывания в приблизительно овальных дорожках, вырезанных как во внутренней усеченно-сферической поверхности кожуха, так и в наружной цилиндрической поверхности ротора. Альтернативно, индексирующее устройство включает сферические шарики, выполненные для перекатывания в приблизительно синусоидальных дорожках, вырезанных как во внутренней усеченно-сферической поверхности кожуха, так и в наружной поверхности, по меньшей мере, одного ротора.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - аксонометрическая проекция с разнесением частей одного из вариантов изобретения в узле компрессора.

Фиг. 2 - вид сборки с частичным разрезом варианта изобретения, показанного на Фиг. 1.

Фиг. 3 - вид детали одного из вариантов изобретения, находящейся в зоне 3. указанной на Фиг. 1.

Фиг. 4 - вид детали одного из вариантов изобретения, находящейся в зоне 4. указанной на Фиг. 1.

Фиг. 5 - вид детали одного из вариантов изобретения, находящейся в зоне 5. указанной на Фиг. 1.

Фиг. 6 - вид в сборе с торца в варианте изобретения, показанном на Фиг. 1.

Фиг. 7 - аксонометрическая проекция с разнесением частей одного из вариантов изобретения в узле насоса.

Фиг. 8 - вид сборки с частичным разрезом в варианте изобретения, показанном на Фиг. 7.

Фиг. 9 - аксонометрическая проекция с разнесением частей одного из вариантов изобретения в узле расширителя.

Фиг. 10 - вид сборки с частичным разрезом в варианте изобретения, показанном на Фиг. 9.

Фиг. 11 - вид спереди другого варианта осуществления изобретения.

Фиг. 12 - вид сбоку с частичным разрезом по 12-12 варианта изобретения, показанного на Фиг. 11.

Фиг. 13 - вид с разнесением частей варианта изобретения, показанного на Фиг. 11.

Фиг. 14 - вид с разнесением частей другого варианта осуществления кожуха.

Фиг. 15 - вид в сборе варианта изобретения Фиг. 14.

Фиг. 16 - вид спереди варианта изобретения Фиг. 14.

Фиг. 17 - вид сбоку с частичным разрезом варианта изобретения Фиг. 14.

Фиг. 18 - скрытое изображение варианта изобретения Фиг. 14.

Фиг. 19 - аксонометрическая проекция другого варианта изобретения.

Фиг. 20 - вид сбоку варианта изобретения Фиг. 14.

Фиг. 21 - вид спереди варианта изобретения Фиг. 14.

Фиг. 22 - вид сверху одного из вариантов прямого кольцевого уплотнения.

Фиг. 23 - вид с торца уплотнения Фиг. 17.

Фиг.24 - вид детали варианта изобретения Фиг. 18.

Фиг. 24 - вид спереди варианта осуществления узла ротора и корпуса с использованием цилиндрических уплотнений вершин.

Фиг. 25 - вид с частичным разрезом по 25-25 Фиг. 24.

Фиг. 26 - вид детали одного из вариантов цилиндрических уплотнений вершины.

Фиг. 27 - вид с частичным разрезом по 27-27 Фиг. 26.

Осуществление изобретения

В настоящем описании аббревиатура CvR используется для обозначения роторного двигателя (насоса, компрессора, двигателя внешнего сгорания и т.д.), например, такого, какой описан в заявке ′674 и предшествовавших ей. Узел кожуха 20, описанный в настоящем документе, находит многочисленные применения в устройствах CvR, включая устройства CvR, описанные в заявке США №12/560,674 (′674), зарегистрированной 16 сентября 2009 г. и включенной в настоящее описание посредством ссылки.

Глядя изнутри на узел кожуха 20, показанный в варианте осуществления компрессора, изображенном на Фиг. 1-5, мы видим вал 22 со шпоночной канавкой 24, позволяющей приводить вал 22 от внешнего двигателя или, в некоторых вариантах осуществления, позволяющей эксплуатировать устройство как двигатель внешнего сгорания; в этом случае вал 22 и шпоночная канавка 24 приводят другие механизмы. Закрепленная на валу или выполненная как часть вала 22 опора 23 имеет сферическую поверхность 26 и индексирующую поверхность 28, выполненные для взаимодействия с индексирующим кольцом 30, которое в одном из вариантов осуществления включает несколько сферических шариков, удерживаемых кольцевым элементом, чтобы вращать ведомый ротор 32, как описано в заявке ′674. В некоторых вариантах осуществления предусмотрены несколько смазочных отверстий 34, например, таких, какие показаны на Фиг. 2, позволяющих распределять смазку (например, масло) между валом 22 и элементами, относительно которых вал 22 совершает вращательное или возвратно-поступательное движение, причем центральный масляный канал 36 позволяет распределять смазку между ведомым ротором 32 или опорной пластиной 38 и валом 22. Однако имеется, кроме того, и силовой ротор 40; в некоторых вариантах осуществления этот силовой ротор 40 выполнен для вращения без возвратно-поступательного движения относительно вала 22, и поэтому смазочное отверстие между ними может не потребоваться. Силовой ротор 40, как показано на Фиг. 1, имеет сзади сквозные отверстия 42 во впадинах 44 поверхности зацепления 46 между соседними подъемами 48. Отверстия 42 расположены на окружности того же радиуса, что и ввод низкого давления 50; и в опорной пластине 38 имеется также выход по высокому давлению 52, через который можно провентилировать текучую среду (газ). Силовой ротор 40 изображен на Фиг. 1 в виде волнистого ротора, но могут применяться и другие типы роторов CvR.

Кожух 54 окружает силовой ротор 40 и ведомый ротор 32 и обычно включает внутреннюю усеченно-сферическую поверхность 56. Кожух 54 может быть сконструирован составным в осевом направлении, как показано для примера на Фиг. 1, или составным периферически, как показано на Фиг. 7, в зависимости от давления, возможности принудительного уплотнения и скорости вращения в различных применениях. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 1, кожух 54 включает первый полукожух 54а и второй полукожух 54b, которые могут быть соединены многими способами и различными средствами, включая штифты, вставленные в несколько гнезд 58 в каждом полукожухе внутреннего кожуха 54. Специалист легко сможет понять, как это выполнить. Когда части кожуха приведены в надлежащее положение, в кольцевую выточку 62 может быть поставлено стопорное кольцо 60, и на два полукожуха 54а и 54b внутреннего кожуха 54 может быть надета наружная втулка 64, главным образом, для восприятия направленных наружу центробежных сил, связанных с вращением вала 22 и роторов, а также сил расширения газа в узле компрессора 20. Второе кольцо 66 может быть вставлено во вторую кольцевую выточку 68, чтобы еще надежнее скрепить две половины внутреннего кожуха 54 и дополнительно закрепить наружную втулка 64. В одном из вариантов осуществления кольца 60 и 66 изготовлены из пружинной стали и разрезаны, как показано на примере кольца 66.

Поскольку в одном из вариантов осуществления силовой ротор 40 выполнен для вращения с валом 22 и внутренним кожухом 54, во внутреннем кожухе 54 может быть предусмотрено несколько гнезд 70, позволяющих вставить штифты через внутренний кожух 54 в силовой ротор, например, в гнезда 72, для сохранения между ними связи в процессе вращения и возвратно-поступательного движения.

Обратимся к Фиг. 4, на которой представлен вид детали в зоне, указанной на Фиг. 1; в кольцевую выточку 76 силового ротора 40 может быть вставлено несколько периферически ориентированных уплотнений или уплотнительных манжет 74. Эти периферически ориентированные уплотнения или уплотнительные манжеты 74 выполнены для обеспечения уплотнения между силовым ротором 40 и внутренним кожухом 54. Периферически ориентированные уплотнения или манжеты 74 на силовом роторе 40 могут быть жестко прикреплены к кожуху в виде неподвижных уплотнений, так как отсутствует существенное движение между кожухом 54 и силовым ротором 40. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения допуск на отклонение размеров (зазор) между внутренней поверхностью 56 внутреннего кожуха 54 и наружной поверхностью 78 силового ротора 40 должен быть очень узким для минимизации утечки через уплотнения 74. В одном из вариантов осуществления уплотнения 74 выполнены в виде агрегатной конструкции, хотя в варианте осуществления, показанном на Фиг. 1, уплотнения 74 включают несколько зеркальных S-образных уплотнений, которые может быть легче изготавливать и монтировать, чем агрегатные уплотнения.

Обратимся к Фиг. 3, на которой представлен вид детали, указанной на Фиг. 1;

показаны несколько радиальных канавок 77, в которые входят несколько вершинных уплотнений (не показано), и наружная, существенно кольцевая канавка 78 в ведомом роторе 32, в которую может войти несколько боковых уплотнений. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 5, радиальные канавки 77 глубже, чем наружная кольцевая канавка 78. В этом варианте осуществления радиальные уплотнения могут выступать наружу и упираться во внутреннюю поверхность кожуха, а наружные кольцевые уплотнения могут упираться в бока радиальных уплотнений, хотя возможны и другие исполнения. В одном из вариантов осуществления ведомый ротор 32 вращается существенно вместе с внутренним кожухом 54, но вокруг оси, наклоненной под углом 80 относительно вала 22, как можно видеть на Фиг. 2, поэтому ведомый ротор 32 будет совершать определенное вращательное и возвратно-поступательное движение относительно внутреннего кожуха 54. В некоторых вариантах осуществления предусмотрены различные количества подъемов 48 и впадин 44 на силовом роторе 40, с одной стороны, и на ведомом роторе 32, с другой. Обратимся к Фиг. 5, на которой также представлен вид детали Фиг. 1; радиальная канавка 77 идет к центральной части ведомого ротора 32 и к опоре 23. Кроме того, поскольку ведомый ротор 32 совершает возвратно-поступательное движение относительно внутренней опоры 23, должна быть предусмотрена еще и другая существенно кольцевая внутренняя канавка 82 для приема внутреннего кольцевого уплотнения (не показано). В одном из вариантов осуществления вершинные и боковые уплотнения между ведомым ротором 32, кольцевой выточкой 68 и опорой 23 могут быть аналогичны уплотнениям, применяемым в двигателях Ванкеля, то есть таким, которые хорошо известны специалистам. В одном из вариантов осуществления можно увидеть, если сравнить Фиг. 2 и 3, кольцевую канавку 78 с кольцевым уплотнением 96 в ней. Кроме того, если сравнить Фиг. 2 и 5, можно увидеть рядом с опорой 23 кольцевую канавку 82, содержащую кольцевое уплотнение 98. В одном из вариантов осуществления кольцевые уплотнения разделены и предварительно напряжены вершинными уплотнениями, введенными между ними. Такое дополнительное уплотнение предотвращает утечки из кожуха. Эти уплотнения работают, главным образом, на возвратно-поступательное движение между ведомым ротором 32 и внутренней поверхностью 56 внутреннего кожуха 54, поэтому потери на трение весьма малы.

Обратимся к Фиг. 2, на которой представлен вид с частичным разрезом по 2-2 Фиг. 6; независимые элементы узла компрессора 20 легко могут быть поняты как элементы сборки в одном из вариантов осуществления. Кроме того, на Фиг. 2 угол 80 отклонения виден яснее, чем на других. В одном из вариантов осуществления стяжная пластина 84, как можно видеть на Фиг. 1 и 6, включает несколько отверстий 86, соосных с отверстиями 88 в ведомом роторе 32, так что стяжная пластина 84 может быть прикреплены к нему. Кроме того, стяжная пластина 84 в одном из вариантов осуществления включает поверхность 90, которая взаимодействует с индексирующим кольцом 30, включающим несколько индексирующих элементов 31, которые, в свою очередь, взаимодействуют с индексирующей поверхностью 28 опоры 23, описанной выше.

Кроме того, на Фиг. 2 можно видеть стопорные кольца 60 и 66, выполняющие функцию удержания на месте внутреннего кожуха 54 относительно наружной втулки 64. Наружная втулка 64 может быть на прессовой посадке, на горячей посадке или в жестком допуске на отклонение размеров относительно наружной поверхности внутреннего кожуха 54. Как показано на Фиг. 1, наружная втулка 64 имеет ширину 92, которая существенно равна расстоянию 94 между стопорными кольцами 60 и 66.

Одно из важнейших преимуществ этой конструкции в сравнении с предшествующими конструкциями состоит в том, что использование показанной вращающейся конструкции кожуха позволяет применить принудительные уплотнения, аналогичные ранее применявшимся в двигателях Ванкеля, и это сочетается с тем преимуществом, что относительные скорости перемещений на уплотнениях могут быть снижены в некоторых вариантах осуществления в десять раз в сравнении с прежними конструкциями. Такое снижение относительных скоростей позволяет устройству работать с принудительными уплотнениями при намного более высоких оборотах (об/мин), чем допускалось ранее. Еще одним преимуществом этой конструкции в некоторых вариантах осуществления является снижение числа путей утечки примерно в два раза в сравнении с прежними вариантами осуществления. Так как один из роторов теперь существенно зафиксирован (и полностью уплотнен) относительно кожуха, между этим ротором с кожухом и валом могут быть применены принудительные уплотнения. В некоторых прежних вариантах осуществления применялись два ротора с зазорами относительно не вращающегося корпуса, что увеличивало их относительные вращение и колебания.

Ранее указывалось, что кожух может быть разделен в осевом направлении, как показано на Фиг. 1, или может быть разделен по периферии, как показано на Фиг. 7. На Фиг. 7 показан наружный кожух 100 с уплотнительной полосой 102, причем наружный кожух 100 включает переднюю часть 104 и заднюю часть 106. В этом варианте осуществления вал 110 функционально идентичен описанному ранее и может включать шпоночную канавку 112 и смазочные отверстия 114, которые работают аналогично описанным ранее.

Вариант осуществления, показанный на Фиг. 7, выполнен для работы в качестве насоса и, соответственно, имеет несколько отверстий, включая первое отверстие 116 и второе отверстие 118, которые гидравлически соединены с первым вентиляционным отверстием 120 и вторым вентиляционным отверстием 122, соответственно, имеющимися в опорной пластине 124. В то время как ввод 50 и выход 52 варианта изобретения, показанного на Фиг. 1, имели различные размеры, в варианте насоса, показанном на Фиг. 7, может не быть существенного сжатия текучей среды (жидкости), проходящей через насос, и поэтому отверстия 116 и 118 показаны имеющими существенно одинаковый размер.

Вариант осуществления, показанный на Фиг. 7, кроме того, включает внутренний кожух 126 с отверстиями 128, сквозь которые могут проходить болты или другие крепежные элементы в гнезда 130 в наружном кожухе 100 для крепления к нему внутреннего кожуха 126. В одном из вариантов осуществления, как показано в варианте, изображенном на Фиг. 8, предусмотрены отверстия 108, сквозь которые могут проходить и соединяться крепежные элементы. Кроме того, имеется первый ротор 132, который поворачивается на определенные углы по индексирующей поверхности опоры 134, и имеется второй ротор 136, соединенный для вращения с валом 110, например, посредством шпоночной канавки 138, в которую входит шпонка, вставленная в шпоночную канавку 140 в валу 110. Разумеется, могут быть применены также и другие механизмы. Второй ротор 136 в одном из вариантов осуществления включает отверстия 142, которые радиально соосны с отверстиями 116 и 118, чтобы через них могли проходить текучие среды.

В одном из вариантов осуществления внутренний кожух 126 включает кольцевую кромку 158, внутренний диаметр 160 которой существенно равен внутреннему диаметру 162 внутренней части заплечика 164 в передней части 104 наружного кожуха 100. Сопоставление с видом Фиг. 8 позволяет увидеть, что эти элементы допускают сборку устройства, так как наибольшие диаметры первого ротора 132 и второго ротора 136 в норме должны быть больше, чем наименьшие диаметры 166 и 168 наружного кожуха 100 и внутреннего кожуха 126, соответственно. В одном из вариантов осуществления каждый из роторов, второй ротор 136 и, опционно, первый ротор 132, включает агрегатную конструкцию, как показано на Фиг. 7. Соответственно, не имея возможности разобрать узел кожуха 170 (сочетание наружного кожуха 100 и внутреннего кожуха 126), было бы чрезвычайно трудно - если не невозможно - собрать как показано устройство (насос) с требуемыми допусками.

Еще одним различием между вариантом осуществления, показанным на Фиг. 7, и вариантом, показанным на Фиг. 1, является добавление неподвижной скошенной шайбы 144, включающей гнездо 146, в котором закреплен штифт, предотвращающий вращение неподвижной скошенной шайбы 144. В этом варианте осуществления неподвижная скошенная шайба 144 не вращается с валом 110, а, скорее, обеспечивает, как показано на Фиг. 8, угол отклонения 148 упорного роликоподшипника 208, который может также применяться и в описанных ранее вариантах осуществления. Конструкция 210 это пакет радиально-упорных подшипников, которые выполнены для восприятия осевой нагрузки и радиальной нагрузки на вал.

Другой вариант кожуха изображен на Фиг. 9, где внутренний кожух 156 разделен в осевом направлении, как было описано ранее в связи с Фиг. 1. Однако в этом варианте осуществления первый ротор 150 включает несколько штифтовых приемников 152, которые соосны со штифтовыми приемниками 154 во внутреннем кожухе 156, так что когда устройство собрано и штифты, болты или другие крепежные элементы вставлены в приемники, штифты сохраняют положение внутреннего кожуха 156 относительно первого ротора 150. В этом варианте осуществления внутренний кожух 156 включает заплечик или вырез 174, который выполнен для взаимодействия с заплечиком или выступом 176, отходящим от внутренней поверхности 180 наружной втулки 178. В одном из вариантов осуществления радиус внутренней поверхности 180 наружной втулки 178 существенно равен радиусу наружной поверхности 182 внутреннего кожуха 156. Таким образом, наружная втулка 178 может быть соединена с внутренним кожухом 156 горячей посадкой, прессовой посадкой, посадкой с натягом, клеем, крепежными элементами или другими эквивалентными средствами соединения, способными выдержать расширение втулки, связанное с давлением и центробежной силой.

На наружном диаметре 188 и внутреннем диаметре 190 второго ротора 192 показаны уплотнительные кольца, соответственно, 184 и 186. В одном из вариантов осуществления зазоры везде сведены к минимуму для обеспечения минимального контролируемого пути утечки вместо применения прежних контактных уплотнений. Входное и выходное отверстия находятся в опоре первого ротора - это отверстия 194, которые существенно больше, чем отверстия, показанные в других вариантах осуществления.

В одном из вариантов осуществления, показанном на Фиг. 9, поворот на определенный угол осуществляется с помощью овальных канавок 196 во втором роторе 192 и шариков 198, которые помещены между овальными канавками 200 в опоре 202 и овальными канавками 196. Как показано, овальные канавки 200 сформированы в опоре 202. В одном из вариантов осуществления опора 202 включает гнезда 204, которые соосны с отверстиями 206 в первом роторе 150, что позволяет поставить первый ротор на штифты или болты - или в каком-то из вариантов осуществления иным образом прикрепить к опоре 202. Кроме того, могут быть предусмотрены отверстия для подачи смазки.

Вариант изобретения, показанный на Фиг. 1, легко может быть модифицирован специалистом для применения в качестве двигателя внутреннего сгорания. Уплотнения могут быть спроектированы на высокие температуры и давления аналогично применяемым в двигателях Ванкеля. В таких двигателях внутреннего сгорания могут применяться или не применяться наружные клапаны на входе/выходе и могут также применяться воспламенители, например, обычные свечи зажигания, или, альтернативно, двигатель может работать на принципах, применяемых в дизельных двигателях.

На Фиг. 11-13 раскрыт другой вариант осуществления возможной конструкции компрессора (а также и других устройств, обрабатывающих текучую среду). Отличие здесь состоит в том, что индексирующие шарики 212 подшипника контактируют с выточками 230, имеющимися во внутренней поверхности 232 внутреннего кожуха 214. Это дает более высокую скорость качения шариковой опоры, однако здесь, при меньших шариках или меньшем их количестве, должна быть намного выше несущая способность по крутящему моменту, так как при радиально наружном расположении в устройстве индексирующих шариков плечо момента намного больше. Смазка может быть обеспечена подачей масла через роторы 216 и 218 и далее через смазочные отверстия 220 во вкладышах 222, которые могут быть изготовлены из более твердого материала, чтобы в них перекатывались индексирующие шарики 212. Индексирующие элементы могут быть помещены в отверстия 224, имеющиеся во втором роторе 218. В этом варианте осуществления индексирующие элементы 212 необязательно должны быть непосредственно прикреплены к валу, но вместо этого могут быть опосредованно прикреплены к валу через узел кожуха. Может быть предусмотрен наружный кожух 228, как описано ранее.

Другой вариант осуществления кожуха 234 изображен на Фиг. 14-18, здесь поверхность 236, ограничивающая отверстие, прорезана через сам корпус 238 кожуха, чтобы дать возможность прохода текучей среды. Это отверстие может быть входным отверстием или выходным отверстием, в зависимости от его конкретного вида. Как показано на Фиг 14-18, отверстие может иметь такую форму, чтобы оно открывалось в полость 244 между расположенными друг напротив друга роторами 240 и 242 в процессе рабочей фазы ввода текучей среды и закрывалось в процессе фазы сжатия, или вывода текучей среды, - или наоборот. Этот вариант упрощает перфорационные требования к задней поверхности ротора, описанного ранее.

Отверстие, образованное в кожухе в этом варианте осуществления, попеременно открывается и закрывается, в зависимости от различий в скорости между роторами. В одном из вариантов осуществления кожух скрепляется с первым ротором, который в этом варианте осуществления имеет два выступа, а другой ротор имеет 3 выступа и, соответственно, поворачивается на 2/3 оборота при каждом обороте первого ротора. Так как второй ротор движется относительно кожуха, второй ротор может периодически перекрывать отверстие.

В одном из вариантов осуществления узел ротора 246 включает первый ротор 240 и второй ротор 242, имеющие свои центральные оси, которые не коллинеарны, и имеющие выступы 248 и впадины 250. В одном из вариантов осуществления узел ротора сформирован из первого и второго роторов, каждый - с наружной поверхностью 252/254, которая образует часть сферической поверхности таким образом, что все сферические поверхности концентричны. В этом варианте осуществления корпус 238 кожуха может включать внутреннюю сферическую поверхность 256, функционально выполненную так, чтобы она окружала наружные сферические поверхности 252/254 роторов 240/242, соответственно. В одном из вариантов осуществления корпус 238 кожуха вращается с некоторой угловой скоростью в том же направлении, что и роторы 240/242.

Вариант осуществления, показанный на Фиг. 14-18, может сочетаться с элементами, показанными выше. Например, узел ротора может быть выполнен таким образом, чтобы корпус кожуха был разделен в осевом направлении, как показано на Фиг. 1, или радиально, как показано на Фиг. 7, для облегчения монтажа над наружными сферическими поверхностями роторов.

Когда корпус кожуха разделен, он может охватываться втулкой, например, втулкой 64 Фиг. 1, таким образом, чтобы радиальные силы от корпуса кожуха воспринимались во втулке 64 как растягивающие напряжения. Втулка 64 может быть соединена с корпусом кожуха прессовой посадкой, которая создает направленную внутрь радиальную предварительную нагрузку на элементы внутреннего кожуха. На Фиг. 1 показан один пример конструкции элементов внутреннего кожуха 54а и 54b, с наружной втулкой 64.

Вышеописанный узел ротора может быть выполнен с фиксацией корпуса 238 кожуха относительно первого ротора таким образом, что относительное движение имеет место только между корпусом 238 кожуха и вторым ротором. В одной из форм этого варианта осуществления корпус 238 кожуха выполнен одной неразъемной деталью с корпусом первого ротора 240.

Узел ротора может быть выполнен таким образом, чтобы корпус кожуха вращался вокруг оси, не совпадающей с осями первого и второго роторов.

В одном из вариантов осуществления корпус кожуха включает одну или несколько поверхностей 236, содержащих радиальные отверстия такой формы, чтобы часть времени вращения они перекрывались выступами 240 ротора и открывались в остальное время вращения, причем отверстия ведут во впадины 250 роторов 240/242. Узел ротора может быть выполнен с отверстиями, сформированными так, чтобы определенное отверстие было открыто в течение части - или всей фазы вращения таким образом, чтобы соответствующий объем между выступами увеличивался и отверстия работали как отверстия впуска текучего агента, или, альтернативно, как отверстия выпуска текучего агента.

Узел ротора может быть выполнен таким образом, чтобы наружная сферическая поверхность роторов включала несколько периферически ориентированных уплотнений, например, таких, какие показаны на Фиг 3-5, контактирующих с внутренней сферической поверхностью кожуха. Уплотнительные элементы могут включать принудительные контактные уплотнения, например, механические уплотнения или полимерные манжетные уплотнения. Альтернативно уплотнительные элементы могут включать бесконтактные уплотнения, например, лабиринтные уплотнения или механические уплотнения с газовой смазкой, или могут даже соединяться в одиночный объединенный и/или монолитный уплотнительный элемент на одном или на каждом из роторов. В другом варианте осуществления уплотнения могут также включать несколько S-образных уплотнений 257, как показано на Фиг. 1, и, в одном из вариантов осуществления, показано в виде уплотнений 74 Фиг. 4. Эти уплотнительные элементы включают несколько "S"-образных уплотнений, в которых сами корпуса уплотнений изогнуты в одном направлении для контакта с внутренней усеченно-сферической поверхностью кожуха. В этом варианте осуществления узел ротора может быть выполнен так, что один или несколько роторов включают радиальные канавки в вершине каждого выступа ротора, в которые входят несколько уплотнительных элементов, функционально выполненных для контакта с выступами противолежащего ротора, а также для контакта с внутренней шаровой поверхностью и внутренней поверхностью 256 корпуса 238 кожуха. В одном из вариантов осуществления это уплотнение контактирует с противолежащим ротором по его продольной кромке, но может также контактировать с внутренностью кожуха на одном конце и с центральной шаровой поверхностью на другом конце. В этом варианте можно применить узел ротора согласно п. 22 - с уплотнением вершины, контактирующим с периферически-ориентированными уплотнениями таким образом, чтобы работать как непрерывный уплотнительный элемент. Уплотнение, которое находится в канавке на вершине выступа (уплотнение вершины), должно контактировать с кольцевыми уплотнениями таким образом, чтобы сквозь стык не могла пройти текучая среда. В одном из вариантов осуществления вершинные уплотнения и кольцевые уплотнения взаимодействуют, образуя непрерывный уплотнительный контур, уплотняющий переменный объем между данным набором выступов.

В одном из вариантов осуществления, как показано на Фиг 19-24, уплотнительные элементы включают несколько плоскостных уплотнений 258 таким образом, чтобы сами корпуса уплотнений имели радиально изогнутые наружные поверхности 260 для контакта с внутренней усеченно-сферической поверхностью кожуха. Такие плоскостные кольцевые уплотнения 258 входят в уплотнительные канавки 262, образованные в роторах 264. В одном из вариантов осуществления в поверхности имеется углубление или отверстие 266, где сходятся все части уплотнения. Эти отверстия 266 функционально аналогичны угловым уплотнениям двигателей Ванкеля.

В одном из вариантов осуществления используются цилиндрические уплотнения вершин 270, как показано на Фиг. 24-25, имеющие оси, которые лежат в плоскости, делящей пополам сферические поверхности 276/278, и параллельны задней поверхности 272 ротора 274. Применение таких цилиндрических уплотнений вершин 270 дает ряд преимуществ. Во-первых, диаметр цилиндрического уплотнения вершины может быть сделан достаточно большим, чтобы все свесы вершин выступов ротора, которые в противном случае могли бы затруднить монтаж выступов ротора над центральной сферой 276, могли быть вырезаны в виде паза уплотнения вершины на гребне выступа ротора. Свесы гребней выступов могут вызвать затруднения, если выступы заходят за ось 280 сферы 276. Монтаж может вызвать затруднения, так как может быть трудно вставить сферу 276 в цоколь 282, не создав путь утечки,

Цилиндрические уплотнения вершин 270 лежат в плоскости, которая делит пополам сферические поверхности 276/278, как описано, поэтому второе преимущество состоит в том, что на концах цилиндрического уплотнения вершины 270 могут быть просто сделаны выемки таким образом, что ободки 284 цилиндрических уплотнений вершин 270 плотно контактируют как с внутренней, так и с наружной сферическими поверхностями, оставаясь по-прежнему осесимметричными. Этот вариант намного упрощает обработку цилиндрических уплотнений вершин, в сравнении с традиционными вариантами.

Третье преимущество цилиндрических уплотнений вершин состоит в следующем: поскольку цилиндрические уплотнения вершин 270 лежат в плоскости 280, которая делит пополам сферические поверхности, как описано, цилиндры могут вращаться вокруг своих осей без изменения их уплотняемых зазоров. Вращающиеся уплотнения менее подвержены износу и, кроме того, изнашиваются равномернее, поскольку изнашивается, скорее, поверхность 286 углубления, а не контур. В одном из вариантов уплотнения лежат в плоскости, которая делит пополам сферические поверхности, для того, чтобы они могли быть осесимметричными: это требуется для надлежащего уплотнения в процессе вращения.

Фиг. 25 и 27 изображают цилиндрические уплотнения, имеющие концевые углубления 286/288. Эти концевые углубления 286/288 могут иметь тот же радиус, что и соответствующая сферическая поверхность (сфера 276), или они могут быть вырезами какой-то более простой формы, например, конической, причем так, что только ободок 284 контактирует с соответствующей поверхностью 276.

В одном из вариантов осуществления очень полезно так скомбинировать узел ротора с элементами, показанными на Фиг. 8, чтобы нагрузка, связанная с высоким давлением текучей среды между выступами первого ротора 240 и второго ротора 242, передавалась от опоры соответственного ротора через упорный подшипник на клиновидную пластину 144 Фиг. 7, соединенную шпонкой с корпусом, и затем через другой упорный подшипник на пластину, которая неподвижно закреплена на валу и вращается с валом таким образом, что вал испытывает воздействие растягивающих напряжений. В одном из вариантов осуществления клиновидная пластина зафиксирована от вращения относительно корпуса устройства. Угол клина сохраняет положение наклонного ротора под фиксированным углом относительно корпуса. В одном из вариантов осуществления клиновидная пластина может быть выполнена плавающей в осевом направлении, но должна быть соединена с корпусом шплинтом или шпонкой, предотвращающими ее вращение с валом.

Узел ротора может также включать индексирующее ротор устройство, например, одну из индексирующих систем, описанных выше. Индексирующее устройство может быть интегрировано с кожухом для передачи крутящего момента между по меньшей мере одним из двух роторов, первым и/или вторым, 240/242, и корпусом 238 кожуха, как показано на Фиг. 12. Овальный паз 230 может быть вырезан в сферической поверхности кожуха, позволяя кожуху работать в качестве индексирующего устройства. Это отличает данный вариант от варианта осуществления, показанного на Фиг. 10, где паз 200 вырезан в центральной сфере. Такое индексирующее устройство может быть аналогично системе поворота на определенный угол, показанной на Фиг. 13, где индексирующее ротор устройство включает сферические шарики 212, выполненные для перекатывания в приблизительно овальных дорожках 220/230, вырезанных как во внутренней сферической поверхности 256 кожуха, так и в наружной поверхности 252 ротора(роторов) 240/242. Альтернативно, индексирующее устройство может включать сферические шарики, выполненные для перекатывания в приблизительно синусоидальных дорожках 28 Фиг. 1, вырезанных как во внутренней сферической поверхности корпуса кожуха, так и в наружной поверхности по меньшей мере одного ротора. В других вариантах осуществления могут также применяться трохоидные шестерни, шестерни с эвольвентным зацеплением и штифтовые индексирующие устройства с ползуном/роликом. Определяющей особенностью является то, что одна половина индексирующей системы любого типа может быть вделана в кожух, будь то половина шестеренчатой индексирующей системы, или системы штифтового типа, или системы с шариковой опорой. На Фиг. изображены только индексирующие системы с шариковой опорой, так как другие типы индексирующих устройств хорошо известны специалистам, например, из патентной заявки США 12/560,674, поданной 16 сентября 2009 г. и включенной в настоящее описание посредством ссылки.

Хотя настоящее изобретение проиллюстрировано описанием нескольких вариантов осуществления и эти иллюстративные варианты осуществления детально описаны, в намерения заявителей не входит ограничение или какое-либо сужение такими деталями объема прилагаемой формулы изобретения. Конкретные элементы представленных выше вариантов изобретения могут комбинироваться в различных сочетаниях, например, роторы Фиг. 9 могут комбинироваться с кожухом Фиг. 1. Специалист легко сможет извлечь дополнительные преимущества и внести модификации в пределах объема прилагаемой формулы изобретения. Таким образом, настоящее изобретение в расширенном толковании его особенностей не ограничивается показанными и описанными конкретными деталями, демонстрационными устройствами и способами, а также иллюстративными примерами. Соответственно, могут быть сделаны отступления от таких деталей без отступления от смысла или объема общей идеи изобретения.

Группа изобретений относится к конструкции кожуха, предназначенного для применения в роторных двигателях с несколькими роторами. По меньшей мере один из роторов не прикреплен к кожуху. Кожух выполнен для вращения по меньшей мере с одним вращающимся элементом двигателя с целью уменьшения относительного вращательного движения между кожухом и связанным вращающимся элементом двигателя и значительного снижения результирующей утечки смазки. 2 н. и 27 з.п. ф-лы, 27 ил.

1. Узел ротора, включающий:
вал, причем осевая нагрузка от задней части первого ротора, ось вращения которого не параллельна оси вращения указанного вала, передается на этот вал через первый упорный подшипник, ось вращения которого коаксиальна оси первого ротора, причем первый упорный подшипник затем воздействует на клиновидную пластину с углом клина, равным углу между осью вращения первого ротора и осью вращения вала, причем клиновидная пластина затем воздействует на второй упорный подшипник, имеющий ось вращения, которая коаксиальна с осью вращения вала, причем указанный упорный подшипник затем воздействует на вторую упорную пластину, неподвижно прикрепленную к валу; и корпус кожуха, имеющий внутреннюю сферическую поверхность, функционально выполненную таким образом, чтобы она окружала наружные сферические поверхности первого ротора, при этом корпус кожуха вращается с некоторой угловой скоростью в том же направлении, что и первый ротор.

2. Узел ротора по п. 1, отличающийся тем, что осевая нагрузка, воздействующая на первый ротор, передается на вал несущим элементом, выполненным таким образом, чтобы создавать растягивающие нагрузки вала.

3. Узел ротора, включающий:
несколько роторов, в том числе по меньшей мере первый и второй роторы, имеющие свои центральные оси, которые не коллинеарны, и имеющие выступы и впадины, причем каждый из первого и второго роторов имеет наружную поверхность, образующую часть сферической поверхности, сформированной таким образом, что все наружные частичные сферические поверхности концентричны; и корпус кожуха, имеющий внутреннюю сферическую поверхность, функционально выполненную таким образом, чтобы она окружала наружные сферические поверхности роторов, при этом корпус кожуха вращается с некоторой угловой скоростью в том же направлении, что и роторы.

4. Узел ротора по п. 3, отличающийся тем, что корпус кожуха включает несколько разделенных в осевом направлении элементов внутреннего кожуха для облегчения монтажа над наружными сферическими поверхностями первого и/или второго роторов.

5. Узел ротора по п. 4, отличающийся тем, что корпус кожуха опирается на кольцевую втулку таким образом, что радиальные силы от корпуса кожуха воспринимаются как растягивающие напряжения во втулке.

6. Узел ротора по п. 3, отличающийся тем, что корпус кожуха включает несколько периферически разделенных элементов внутреннего кожуха для облегчения монтажа над наружными сферическими поверхностями роторов.

7. Узел ротора по п. 6, отличающийся тем, что корпус кожуха окружен втулкой таким образом, что радиальные силы от корпуса кожуха воспринимаются как растягивающие напряжения во втулке.

8. Узел ротора по п. 7, отличающийся тем, что втулка соединена с корпусом кожуха прессовой посадкой, которая создает направленную внутрь радиальную предварительную нагрузку на элементы внутреннего кожуха.

9. Узел ротора по п. 3, отличающийся тем, что корпус кожуха зафиксирован относительно первого ротора таким образом, что относительное движение имеет место только между корпусом кожуха и вторым ротором.

10. Узел ротора по п. 6, отличающийся тем, что корпус кожуха выполнен одной неразъемной деталью с корпусом первого ротора.

11. Узел ротора по п. 3, отличающийся тем, что корпус кожуха вращается вокруг оси, не совпадающей с осями первого и второго роторов.

12. Узел ротора по п. 3, отличающийся тем, что корпус кожуха включает одну или более поверхностей, содержащих радиальные отверстия такой формы, чтобы они перекрывались выступами первого или второго ротора часть времени вращения и не перекрывались выступами в остальное время вращения.

13. Узел ротора по п. 12, отличающийся тем, что отверстия перекрываются выступами второго ротора.

14. Узел ротора по п. 12, отличающийся тем, что соответствующий объем между выступами увеличивается таким образом, что отверстия работают как отверстия впуска текучего агента.

15. Узел ротора по п. 12, отличающийся тем, что соответствующий объем между выступами уменьшается таким образом, что отверстия работают как отверстия выпуска текучего агента.

16. Узел ротора по п. 3, отличающийся тем, что наружная сферическая поверхность роторов включает несколько периферически ориентированных уплотнений, которые контактируют с внутренней сферической поверхностью кожуха.

17. Узел ротора по п. 16, отличающийся тем, что уплотнительные элементы включают принудительные контактные уплотнения, выбранные из группы, включающей механические уплотнения и полимерные манжетные уплотнения.

18. Узел ротора по п. 16, отличающийся тем, что уплотнительные элементы включают бесконтактные уплотнения, выбранные из группы, включающей лабиринтные уплотнения и механические уплотнения с газовой смазкой.

19. Узел ротора по п. 16, отличающийся тем, что уплотнительные элементы включают одиночный монолитный уплотнительный элемент.

20. Узел ротора по п. 16, отличающийся тем, что уплотнительные элементы объединены в одну неразъемную деталь с первым и/или вторым ротором.

21. Узел ротора по п. 16, отличающийся тем, что уплотнительные элементы включают несколько S-образных уплотнений.

22. Узел ротора по п. 3, отличающийся тем, что включает цилиндрические уплотнения вершин, имеющие оси, параллельные задней поверхности ротора, к которой прикреплены эти уплотнения вершин.

23. Узел ротора по п. 16, отличающийся тем, что уплотнительные элементы включают несколько плоскостных уплотнений таким образом, что сами корпуса уплотнений изогнуты в одном направлении для контакта с внутренней усеченно-сферической поверхностью кожуха.

24. Узел ротора по п. 3, отличающийся тем, что один или более роторов включают радиальные канавки в вершине каждого выступа ротора, в которые входят несколько уплотнительных элементов, функционально выполненных для контакта с выступами противолежащего ротора, а также для контакта с внутренней шаровой поверхностью и с внутренней поверхностью корпуса кожуха.

25. Узел ротора по п. 24, отличающийся тем, что уплотнение вершины контактирует с периферически ориентированными уплотнениями таким образом, что работает как непрерывный уплотнительный элемент.

26. Узел ротора по п. 3, отличающийся тем, что нагрузка, связанная с высоким давлением текучей среды между выступами, передается от опоры соответственного ротора через упорный подшипник на клиновидную пластину, соединенную шпонкой с корпусом, и затем через другой упорный подшипник на пластину, которая неподвижно закреплена на валу и вращается с валом таким образом, что вал испытывает действие растягивающей нагрузки.

27. Узел ротора по п. 3, включающий индексирующее ротор устройство, которое интегрировано с кожухом для передачи крутящего момента между по меньшей мере одним из двух роторов, первым и/или вторым, и корпусом кожуха.

28. Узел ротора по п. 27, отличающийся тем, что индексирующее ротор устройство включает сферические шарики для перекатывания в по существу овальных дорожках, вырезанных как во внутренней усеченно-сферической поверхности кожуха, так и в наружной цилиндрической поверхности ротора.

29. Узел ротора по п. 27, отличающийся тем, что индексирующее устройство включает сферические шарики для перекатывания в по существу синусоидальных дорожках, вырезанных как во внутренней сферической поверхности корпуса кожуха, так и в наружной поверхности по меньшей мере одного ротора.