Биротативный механизм Российский патент 2024 года по МПК F02B53/00 F01C1/22 

Изобретение относится к биротативным механизмам, которые могут использоваться в качестве гидравлического насоса и двигателя, вакуум-насоса, компрессора, пневмомотора, двигателя внешнего сгорания.

Известен биротативный механизм в виде двигателя, включающего полый корпус с боковой крышкой и расположенный в нем на подшипниках ведомый ротор, состоящий из полого барабана с внутренней рабочей поверхностью, образованной дугами окружности, и с уплотнениями по периферии, и расположенный в полости барабана ведущий ротор в виде двухвершинного поршня вытянутой овальной формы, рабочие поверхности которого образованы дугой окружности внутренней рабочей поверхности ведомого ротора, и который имеет выполненный в нем направляющий паз для размещения в нем части установленного на подшипниках вала ведущего ротора и выполненную на нем замкнутую систему радиальных уплотнений его вершин и торцовых уплотнений (см. RU 2009341, F02B 53/00, 1990 - прототип).

Проблема известного механизма - низкая надежность радиальных уплотнений вершин ведущего ротора, повреждение в процессе эксплуатации внутренней поверхности ведомого ротора (поперечные бороздки в местах перехода) из-за того, что контакт радиальных уплотнений идет в основном по прямой линии, что приводит к значительным удельным нагрузкам и большим перетечкам рабочего тела между камерами, вследствие чего повышенный расход топлива и масла, грязный выхлоп на выходе. Кроме того, подшипники вала ведомого ротора размещены в горячей зоне, их температура в несколько раз выше, чем температура подшипников вала ведущего ротора. Дня охлаждения подшипников вала ведомого ротора необходима усиленная смазка, что также приводит к повышенному расходу масла и грязному выхлопу на выходе.

Технический результат, достигаемый в патентуемом изобретении, заключается в повышении надежности работы радиальных уплотнений, исключение повреждения внутренней поверхности ведомого ротора и, тем самым, снижение расхода топлива и масла. Кроме того, исключение перегрева подшипников ведомого ротора.

Указанный технический результат достигается в биротативном механизме, включающем полый корпус с боковой крышкой и расположенный в нем ведомый ротор, состоящий из полого барабана с внутренней рабочей поверхностью, образованной дугами окружности, и с уплотнениями по периферии, и расположенный в полости барабана ведущий ротор в виде двухвершинного поршня вытянутой овальной формы, рабочие поверхности которого образованы дугой окружности внутренней рабочей поверхности ведомого ротора, и который имеет выполненный в нем направляющий паз для размещения в нем части установленного на подшипниках вала ведущего ротора и выполненную на нем замкнутую систему радиальных уплотнений его вершин и торцовых уплотнений, в котором в отличии от механизма прототипа, уплотнения барабана по периферии являются бесконтактными лабиринтными уплотнениями, часть установленного на подшипниках вала ведущего ротора в направляющем пазу выполнена квадратной, и который снабжен установленным на подшипниках дополнительным валом с квадратной частью, жестко связанным с ведомым ротором и расположенным параллельно и с эксцентриситетом с валом ведущего ротора, выполненного с дополнительным направляющим пазом для размещения в нем квадратной части дополнительного вала ведомого ротора, при этом, направляющие пазы взаимно перпендикулярны большой и малой осям ведущего вала и не пересекаются друг с другом, на внутренней поверхности ведомого ротора выполнены диаметрально противоположно расположенные приливы с плоской поверхностью, перпендикулярной плоскости, проходящей через центры вращения валов роторов, и имеющей протяженность не менее S=2е+t, где е - эксцентриситет роторов в центрах их вращения; t - ширина радиальных уплотнений, расположенных в вершинах ведущего ротора.

А также тем, что корпус и боковая крышка с внешней стороны выполнены с приливами, в которых размещены подшипники валов соответственно ведомого и ведущего роторов.

А также тем, что радиальные уплотнения выполнены из композиционного самосмазывающегося материала.

А также тем, что радиальные уплотнения выполнены из металлографита.

На фиг.1 изображен биротативный механизм в сборе (продольное сечение);

На фиг.2 - ведущий ротор (продольное сечение);

На фиг.3 - продольное сечение по линии В-В ведущего ротора;

На фиг.4 - поперечное сечение по линии С-С ведущего ротора;

На фиг.5 - ведомый ротор (продольное сечение);

На фиг.6 - ведомый ротор (поперечное сечение);

На фиг.7 - вид спереди на боковую крышку;

На фиг.8 - ведущий и ведомый ротор в начальном положении;

На фиг.9 - ведущий и ведомый роторы после поворота по часовой стрелке на угол 45 град.;

На фиг.10 - ведущий и ведомый роторы после поворота по часовой стрелке на угол 90 град.;

На фиг.11- ведущий и ведомый роторы после поворота по часовой стрелке на угол 135 град.;

На фиг.12 - ведущий и ведомый роторы после поворота по часовой стрелке на угол 180 град.;

Биротативный механизм включает полый корпус 1 с боковой крышкой 2 и расположенный в нем ведомый ротор 3, состоящий из полого барабана 4 с внутренней рабочей поверхностью 5, образованной дугами окружности, и имеющий бесконтактные лабиринтные уплотнения 6 по периферии. В полости барабана 4 расположен ведущий ротор 7 в виде двухвершинного поршня вытянутой овальной формы, рабочие поверхности 8 которого образованы дугами окружности внутренней рабочей поверхности 5 барабана 4 ведомого ротора 3. Ведущий ротор 7 имеет выполненные на нем направляющие пазы 9 для квадратных частей валов 10 и 11 ведущего 7 и ведомого 3 роторов. Пазы 9 взаимно перпендикулярны большой и малой осям ведущего ротора 3 и не пересекаются между собой. Ведущий ротор 7 имеет выполненную на нем замкнутую систему, состоящую из радиальных уплотнений 12 и газовых уплотнений 13, а также масляных уплотнений 14, расположенных вокруг направляющих пазов 9 ведущего ротора 7. Радиальные уплотнения 12 выполнены в виде пластин, расположенных в радиальных углублениях в вершинах ведущего ротора 7. Масляные уплотнения выполнены в виде маслосъемных колец, которые препятствуют забросу масла из внутренней полости ведущего ротора 7 в рабочие полости механизма, а также создают очень тонкий (микронный) слой масла для смазки газовых уплотнений 13. На внутренней поверхности 5 ведомого ротора 3 выполнены диаметрально противоположно расположенные приливы 15 с плоской поверхностью, перпендикулярной плоскости, проходящей через центры вращения валов роторов Q₁ и Q₂, и имеющей протяженность не менее S=2е+t, где е - эксцентриситет роторов в центрах их вращения; t - ширина радиальных уплотнений 12, расположенных в вершинах 13 ведущего ротора 7. В боковой крышке 2 выполнены впускное 16и выпускное окно 17. Валы ведущего 7 и ведомого 3 роторов своими цилиндрическими частями установлены на подшипниках 18 и 19, которые размещены в приливах 20 и 21, выполненных на внешних поверхностях боковой крышки 2 и корпуса 1.

Рассмотрим работу механизма в качестве компрессора, вакуум-насоса, гидронасоса. В исходном положении (фиг.8), квадратная часть 10 вала ведущего ротора 7 (на схеме заштрихованный квадрат с центром Q₂) находится в середине продольного паза 9 ведущего ротора 7. При этом большая ось (точки С-Д) ведущего ротора 7 проходит через центральную ось Q₂. Малая ось ведущего ротора 7 проходит через центральную ось симметрии (точки Q₁-Q₂). При этом, впускное 16 и выпускное 17 окна в боковой крышке 2 перекрыты ведущим ротором 7 (фиг.7). При вращении вала ведущего ротора 7 его квадратной части 10 по часовой стрелке (фиг.9), вал ведомого ротора 3 его квадратная часть 11 (центр вращения Q₁, показана штриховыми и частично сплошными линиями) также вращается по часовой стрелке. Оба вала своими квадратными частями 10 и 11 связаны между собой продольными пазами 9, проходящими через большую и малую оси ведущего ротора 7. При вращении происходит скольжение (перемещение) ведущего ротора 7 в продольных пазах 9, кроме того, происходит открытие впускного окна 16 в боковой крышке 2 и газ (жидкость) вследствие разряжения поступают в рабочую полость механизма. При дальнейшем вращении ведущего 7 (ведомого 3) роторов (фиг.10) происходит полное открытие впускного 16 (выпускного 17) окна в боковой крышке 2, а также сжатие (нагнетание) газа и жидкости в выпускное 17 окно в боковой крышке 2. Следует отметить, что выпускное 17 окно связано с обратным клапаном (не показан) для отсечки движения газа (жидкости) в обратном направлении. Далее, при вращении (фиг.11) происходит постепенное закрытие впускного 16 и выпускного 17 окон в боковой крышке 2 ведущим ротором 7. При дальнейшем вращении происходит полное перекрытие впускного 16 и выпускного 17 окон в боковой крышке 2 (исходное положение фиг.8). При этом, рабочая полость механизма достигает своего максимального значения (объема), заполненной газом (жидкостью). Следует повториться - при дальнейшем вращении ведомого 3 ротора (фиг.9), происходит постепенное открытие впускного 16 и выпускного 17 окон. Происходят одновременно два процесса: всасывание газа(жидкости) - нагнетание газа (жидкости). Следует отметить, что при вращении ведущий 7 ротор движется возвратно-поступательно относительно ведомого 3 ротора, вершины 13 ротора 7 (точки С и Д) движутся по параллельным приливам 15. Вершины 13 ротора 7 избавлены от механических воздействий, всю нагрузку воспринимает сопряжение: квадратная часть 10 вала ведущего ротора 7 и продольный паз 9 ведущего ротора 7. Уплотняющие радиальные пластины 12, воспринимают нагрузку лишь от сжатия (нагнетания) газа (жидкости).

Рассмотрим работу биротативного механизма в качестве пневмодвигателя, двигателя внешнего сгорания, гидродвигателя.

В данном случае следует на ведущий (ведомый) вал, соответственно вал ведущего (ведомого) ротора, ставить маховик (не показан), служащий для аккумулирования энергии давления газа (жидкости). В исходном (начальном положении, см. фиг.8) ведущий ротор 7 перекрывает впускное 16 и выпускное окно 17 в боковой крышке 2. За счет энергии маховика (запасенной в предыдущих циклах) происходит вращение ведущего 7 (ведомого 3) роторов (фиг.9). При этом, ведущий ротор 7 открывает впускное окно 16, по которому под давлением поступает газ (жидкость). При этом, давление газа (жидкости) действует на поверхность ведущего 7 (ведомого 3) роторов между точками С и D со стороны впускного окна 16.

Допустим, что ведущий 7 (ведомый 3) ротор имеет высоту (ширину)-Н, давление газа (жидкости) обозначим через - р. В данном случае, вращение ведущего ротора 7 происходит вокруг точки Q₂, ведомого ротора 3 вокруг точки Q₁. Результирующая сила Р, действующая на площадь ведущего ротора: Р=(DQ₂-СQ₂)×Н×р, рычаг результирующей силы: (DQ₂-CQ₂)/2. Тогда, момент от результирующей силы: M=(DQ₂-CQ₂)×H×p×(DQ₂-CQ₂)/2. Технически более грамотным будет выражение в другой системе, где разность (DQ2-CQ2) будет возведена в квадрат, с последующим делением на 2.

Результирующая сила Т, действующая на поверхность ведомого ротора 3 между точками С и D со стороны впускного окна 16: T=CD×H×p.Сила Т не создает крутящего момента вокруг точки Q₁, т.к разность DQ₁-CQ₁=0. Сила Т нагружает подшипники 19 вала 11 ведомого ротора 3 и создает сопротивление при вращении ведомого 3 (ведущего 7) роторов. При дальнейшем движении ведущего ротора (фиг.10) момент от результирующей силы будет максимальным, т.к. разность DQ₂-CQ₂/2=Q₂Q₁=e, тогда М=е×е×Н×р/2. При этом происходит выталкивание газа (жидкости) в выпускное окно 17 по другую сторону роторов, впускное 16 и выпускное 17 окна полностью открыты. При дальнейшем движении ведущего ротора 7 происходит (фиг.12) перекрытие впускного 16 и выпускного 17 окон боковой крышки 2. Далее ведущий 7 и ведомый 3 роторы возвращаются (фиг.12) в исходное положение. При этом, результирующая сила достигает максимума P=CD×H×p, а крутящий момент М=0, т.к DQ₂=CQ₂, разность DQ₂-CQ₂=0. Подводя итоги, кратко: При движении ведущего ротора 7 с исходного положения (фиг.8) происходит одномоментное постепенное открытие впускного 16 и выпускного 17 окон, а следовательно впуск и выпуск газа (жидкости) по разные стороны ротора 7. При этом, крутящий момент М возрастает от 0 до МАХ, далее от МАХ до 0.

При этом, происходят процессы всасывания и нагнетания газа (жидкости), создающие результирующие силы и моменты при вращении, которые необходимо преодолеть.

При вращении ведущего (ведомого) валов, ведущего (ведомого) роторов, происходит скольжение плоскостей наконечников ведущего (ведомого) валов в соответствующих плоскостях направляющих пазов ведущего ротора. При этом, происходят процессы всасывания и нагнетания газа (жидкости), создающие результирующие силы и моменты при вращении, которые необходимо преодолеть.

Следует отметить, что проходимое расстояние и скорость радиальных уплотнений (которые могут быть выполнены, например, в виде радиальных пластин) по приливам, на порядок ниже, как если бы пластины скользили по неподвижному корпусу. Практически, скорость радиальной пластины находится в пределах 5 - 7,5 м/с при 3000 об/мин квадратных валов ведущего (ведомого) роторов. При этом, из-за того, что в процессе вращения ведущий ротор движется возвратно-поступательно относительно ведомого ротора, радиальные пластины при любом положении роторов (фиг.8-12) имеют нормаль к приливам скольжения, что гарантирует плотный контакт сопряжений и резко сокращают перетечки рабочего тела между камерами. Появляется возможность изготовления радиальных уплотнений из композиционных самосмазывающихся материалов, например, металлограф ига, а это в свою очередь позволяет отказаться от смазки. Отсутствие принудительной смазки радиальных пластин резко снизит потребление масла в камерах и токсичность выхлопных газов.

Изобретение относится к машиностроению. Биротативный механизм включает полый корпус (1) с боковой крышкой (2) и расположенный в нем ведомый ротор (3), состоящий из полого барабана (4) с внутренней рабочей поверхностью (5), образованной дугами окружности, и с уплотнениями (6) по периферии. Раскрыто выполнение и расположение ведущего ротора (7) и его уплотнение. Уплотнения (6) барабана (4) по периферии являются бесконтактными лабиринтными уплотнениями. Механизм снабжен установленным на подшипниках дополнительным валом с квадратной частью, жестко связанным с ведомым ротором (3) и расположенным параллельно и с эксцентриситетом с валом ведущего ротора (7), выполненного с дополнительным направляющим пазом для размещения в нем квадратной части дополнительного вала ведомого ротора (3). Раскрыто выполнение направляющих пазов. На внутренней поверхности ведомого ротора (3) выполнены диаметрально противоположно расположенные приливы с плоской поверхностью, перпендикулярной плоскости, проходящей через центры вращения валов роторов (3, 7) и имеющей протяженность не менее S=2е+t, где е - эксцентриситет роторов в центрах их вращения; t - ширина радиальных уплотнений, расположенных в вершинах ведущего ротора (7). Технический результат заключается в повышении надежности работы радиальных уплотнений. 3 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Биротативный механизм, включающий полый корпус с боковой крышкой и расположенный в нем ведомый ротор, состоящий из полого барабана с внутренней рабочей поверхностью, образованной дугами окружности, и с уплотнениями по периферии, и расположенный в полости барабана ведущий ротор в виде двухвершинного поршня вытянутой овальной формы, рабочие поверхности которого образованы дугой окружности внутренней рабочей поверхности ведомого ротора, и который имеет выполненный в нем направляющий паз для размещения в нем части установленного на подшипниках вала ведущего ротора и выполненную на нем замкнутую систему радиальных уплотнений его вершин и торцовых уплотнений, отличающийся тем, что уплотнения барабана по периферии являются бесконтактными лабиринтными уплотнениями, часть установленного на подшипниках вала ведущего ротора в направляющем пазу выполнена квадратной, кроме того, механизм снабжен установленным на подшипниках дополнительным валом с квадратной частью, жестко связанным с ведомым ротором и расположенным параллельно и с эксцентриситетом с валом ведущего ротора, выполненного с дополнительным направляющим пазом для размещения в нем квадратной части дополнительного вала ведомого ротора, при этом направляющие пазы взаимно перпендикулярны большой и малой осям ведущего вала и не пересекаются друг с другом, на внутренней поверхности ведомого ротора выполнены диаметрально противоположно расположенные приливы с плоской поверхностью, перпендикулярной плоскости, проходящей через центры вращения валов роторов, и имеющей протяженность не менее S=2е+t, где е - эксцентриситет роторов в центрах их вращения; t - ширина радиальных уплотнений, расположенных в вершинах ведущего ротора.

2. Биротативный механизм по п. 1, отличающийся тем, что корпус и боковая крышка с внешней стороны выполнены с приливами, в которых размещены подшипники валов соответственно ведомого и ведущего роторов.

3. Биротативный механизм по п. 1, отличающийся тем, что радиальные уплотнения выполнены из композиционного самосмазывающегося материала.

4. Биротативный механизм по п. 3, отличающийся тем, что радиальные уплотнения выполнены из металлографита.