Роторная машина Российский патент 2024 года по МПК F01C3/02 F04C3/04 

Изобретение (роторная машина) относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве компактного и высокопроизводительного ДВС и трансформатора давления. ДВС может использоваться в промышленности и прежде всего на транспорте и в авиации. Трансформатор давления может использоваться в промышленности, в частности во взрывоопасных зонах.

В современной технике широко используются компрессоры, насосы и двигатели поршневого типа, которые имеют ряд недостатков. Возвратно-поступательное движения поршня в цилиндре создают вибрацию и потери энергии, что снижает скорость вращения коленвала и КПД. Кривошипно-шатунный механизм значительно увеличивает габариты.

Этих недостатков лишены роторные механизмы, в которых вместо возвратно-поступательного движения используется вращательное движение. Кроме того одному циклу роторного механизма (разряжение - сжатие) соответствуют два рабочих цикла поршневой машины (разряжение, сжатие). В результате мощность роторного механизма увеличивается в два раза.

На фиг. 1 изображен известный роторный механизм [Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные машины. М.: Энергоатомиздат.1989 г., стр. 221, рис. 7.17], который содержит корпус 2 и ротор 7. Корпус имеет внутреннюю цилиндрическую поверхность. Внутри корпуса расположен ротор, имеющий форму тела вращения с расположенными на нем спиральными каналами. На противоположных концах корпуса имеются входное 5 и выходное 6 отверстия. В корпусе закреплена, с возможностью вращения, одна или несколько перегородок 4 в виде диска с вырезами под каналы. Каналы плотно перекрываются стенками корпуса по торцам и перегородками. При вращении ротора, между перегородкой и торцевыми стенками корпуса создаются эффекты сжатия и разряжения, что позволяет использовать этот роторный механизм в качестве насоса, компрессора или двигателя. Недостатком этого механизма является малый рабочий объем, так как в перекрытии спиральных каналов используется только только часть площади перегородки, которая определяет сечение канала.

Этого недостатка лишен роторный механизм (европейский патент CN104373205, 16.08.2013, F0253/00), изображенная на фиг. 2, который является ближайшим аналогом. Роторный механизм состоит из корпуса 2, с входным 5 и выходным 6 отверстиями и находящегося в нем ротора 7. Ротор имеет тороидальную внутреннюю поверхность на которой расположены спиральные каналы, имеющие форму цилиндрической спирали, замкнутой в кольцо. На корпусе закреплен несущий диск 3 в виде кольца, введенный в полость ротора через щель. На несущем диске закреплены одна или несколько дисковых перегородок 4 с возможностью вращения и имеющие выступы под каналы с уплотнениями. Несущий диск перекрывает один или несколько спиральных каналов и образует подвижное перекрытие канала, поскольку место пересечения каналов вращается вместе с ротором. Одновременно дисковые перегородки образуют неподвижное перекрытие канала. Таким образом, при вращении ротора, в спиральных каналах создаются эффекты сжатия и разряжения. Преимущество данной конструкции - увеличенный минимум в два раза рабочий объем, так как в перекрытии каналов используется вся площадь перегородок. Недостатком вышеописанного роторного механизма является нерациональный выбор вращающихся и неподвижных частей конструкции.

Предлагаемое изобретение (роторная машина, фиг. 3) отличается от ближайшего аналога тем, что спиральные каналы выполнены на внутренней тороидальной поверхности корпуса 2, имеющего входные отверстия 5 и выходные отверстия 6, а ротор представляет собой вал 1, с установленной на нем фигурой вращения 3, например усеченный полый конус, разбивающей внутренний объем на две изолированных части. На фигуре вращения закреплены с возможностью вращения одна или несколькими дисковых перегородок 4 (фиг. 5). Перегородки имеют выступы с уплотнениями под спиральные каналы. В данной конструкции нет необходимости в корпусе из прежней конструкции. Фигура вращения 3 перекрывает один или несколько спиральных каналов и образует неподвижное перекрытие каналов. Одновременно дисковые перегородки образуют подвижное перекрытие каналов, поскольку дисковые перегородки вращаются вместе фигурой вращения. Таким образом, при вращении ротора, в спиральных каналах создаются эффекты сжатия и разряжения. Т. к. фигура вращения 3 разбивает рабочий объем роторной машины на две изолированные части, то это позволяет использовать две разные по назначению роторные машины в одном корпусе. На разрезе А-А (фиг. 6) и виде сбоку (фиг. 4) стрелками обозначено направление движения рабочего тела роторной машины в двух изолированных объемах. В прежней конструкции входные 5 и выходные отверстия 6 расположены на внешнем диаметре тора (ротора) и соединяются с атмосферой через воздушный промежуток между ротором и корпусом. Предположим, что габариты новой и старой конструкции одинаковы, одинаковы воздушные промежутки, описанные выше, а так же диаметры валов и толщина стенок ротора и корпуса. Тогда средний диаметр тора новой конструкции больше среднего диаметра тора старой конструкции на удвоенную толщину стенок и воздушного промежутка. Таким образом изобретение, при одинаковых габаритах, способствует увеличению рабочего объема и упрощению конструкции.

Примером использования данного изобретения может служить трансформатор давления, который изображен на фиг. 7... 10. На главном виде (фиг. 7) показан вал 1, корпус 2, фигура вращения 3. На виде сверху (фиг. 9) показана дисковая перегородка 4. Один из внутренних объемов роторной машины используется в качестве пневмопривода (гидропривода), другой изолированный объем используется в качестве компрессора (насоса). На (фиг. 8, 10) изображено движение рабочего тела в компрессоре и пневмоприводе.. На (фиг. 8) изображено подключение пневмопривода к воздушной линии с давлением Р1. Его крутящий момент Ml и расход воздуха Q1 будут пропорциональны части площади сечения S1 дисковой перегородки (фиг. 9), используемой пневмоприводом. Компрессор, приводимый в движение пневмоприводом, будет создавать давление воздуха Р2 с расходом воздуха Q2 (фиг. 8). Приблизительный расчет Р2 и Q2 можно провести по формулам: P2=P1*S1/S2; Q2=Q1*S2/S1, где S2 - часть площади дисковой перегородки, используемой компрессором. Соотношение S1 к S2 (фиг. 9), а значит и Р2 к Р1 определяется формой фигуры вращения 3. Такая роторная машина может пригодиться там, где требуется использовать давление воздуха или жидкости, отличное от питающего или там, где нельзя или не выгодно использовать другие приводы (например электродвигатели или ДВС) для насоса или компрессора, например во взрывоопасной зоне.

На (фиг. 11…14) изображен двигатель внутреннего сгорания, описанный в п. 2 формулы изобретения. На фиг. 11 внутренний объем 1 используется в качестве воздушного компрессора, а внутренний объем 2 используется в качестве преобразователя тепловой энергии сгорания топливной смеси в механическую. Отличие роторной машины в п. 2 от роторной машины в п. 1 состоит в том, что в нее дополнительно включены камера сгорания, система подачи сжатого воздуха от компрессора в камеру сгорания, система подачи топлива в камеру сгорания и система удаления продуктов сгорания. Один из вариантов системы подачи сжатого воздуха описан ниже. На фиг. 11 и фиг. 12 стрелками показано движение воздуха в компрессоре и рабочего тела в преобразователе. Сжатый воздух из компрессора (объем 1, фиг. 11) через обратные клапаны 3 (фиг. 14) попадает в камеру для сжатого воздуха 4 (фиг. 11). Затем в нужный момент открывается клапан между камерой для сжатого воздуха и камерой сгорания 5 (фиг. 13), где воздух смешивается с парами топлива, поступающего через систему подачи топлива 7. Поскольку температура сжатого воздуха и паров топлива достаточно высоки, происходит возгорание смеси. При необходимости может использоваться система воспламенения топливной смеси. Горящая смесь через отверстие в камере сгорания попадаете рабочий объем 2 (фиг. 11) преобразователя, где смесь окончательно сгорает, расширяется и удаляется через систему удаления продуктов сгорания 6 (фиг. 12). Основное преимущество данного ДВС - в его повышенной удельной мощности и простоте конструкции. В одном рабочем цикле данного двигателя содержится четыре цикла (всасывание и сжатие воздуха, расширение топливной смеси и вентиляция продуктов сгорания) обычного четырехтактного ДВС поршневого типа.

Изобретение (роторная машина) относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве компактного и высокопроизводительного ДВС и трансформатора давления. ДВС может использоваться прежде всего на транспорте и в авиации. Трансформатор давления может использоваться в промышленности и во взрывоопасных зонах. Роторная машина изображена на фиг. 3...6 и содержит корпус и ротор. Корпус 2 имеет тороидальную внутреннюю поверхность, на которой расположены спиральные каналы. Ротор содержит вал 1, на котором закреплена фигура вращения 3. На фигуре вращения, например усеченный полый конус, закреплены одна или несколько вращающихся дисковых перегородок 4 с уплотнениями под спиральные каналы. При вращении ротора в корпусе создаются эффекты разрежения и сжатия. Фигура вращения 3 делит внутренний объем на две изолированные части. Для трансформатора давления (фиг. 7...10) это зона пневмопривода и зона компрессора. Для ДВС (фиг. 11...14) это зона компрессора и зона преобразователя тепловой энергии в механическую. Технический результат - упрощение конструкции и повышенная удельная мощность роторной машины. 1 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Роторная машина, состоящая из корпуса с входным и выходным отверстиями и находящегося в нем ротора, имеющего тороидальную внутреннюю поверхность, на которой расположены спиральные каналы, которые плотно перекрываются несущим диском в виде кольца, закрепленном на корпусе и введенным в полость ротора через щель, а так же одной или несколькими дисковыми перегородками, закрепленными на несущем диске с возможностью вращения и имеющими выступы под каналы с уплотнениями, отличающаяся тем, что спиральные каналы выполнены на внутренней тороидальной поверхности корпуса, а ротор представляет собой вал, с установленной на нем фигурой вращения, например усеченный полый конус, разбивающей внутренний объем на две изолированных части, с закрепленными на ней, с возможностью вращения, одной или несколькими дисковыми перегородками с выступами и уплотнениями под каналы, которые совместно с фигурой вращения образуют соответственно подвижное и неподвижное перекрытие спиральных каналов.

2. Роторная машина по п. 1, отличающаяся тем, что в ее состав дополнительно включены камера сгорания, системы подачи сжатого воздуха в камеру сгорания, система подачи топлива в камеру сгорания, система удаления продуктов сгорания, а так же системы воспламенения топливной смеси.