Ротационный двигатель - RU2346163C2
Код документа: RU2346163C2
Чертежи
Описание
Это изобретение относится к ротационным двигателям.
Процессы сжатия или расширения газов имеют место в самых различных устройствах. Хорошо известные примеры включают насосы, компрессоры, воздуходувки, вытяжки, ротационные и гидравлические машины, которые содержат устройство, используемое для сжатия или расширения газов.
Компрессоры, как указано выше, хорошо известны. Одним из типов компрессора является поршневой компрессор. Преимущество поршневых компрессоров состоит в том, что они способны работать при высоких давлениях. Однако поршневые компрессоры имеют много движущихся частей, и поэтому они являются относительно сложными устройствами. Еще один тип компрессора - компрессор Рутса, который вместо возвратно-поступательного движения использует вращательное движение, в результате чего он более прост, имеет несколько движущихся частей и более надежен. Тем не менее, этот тип компрессора имеет свои недостатки. Один из таких недостатков состоит в том, что он использует «обратное сжатие» для увеличения давления сжатых газов. Это значит, что сжатие входных газов, находящихся при низком давлении, не происходит до тех пор, пока газы не войдут в контакт и не смешаются с газами, находящимися при более высоком давлении внутри компрессора. Этот необратимый процесс является неэкономичным и ведет к более высокому потреблению энергии и повышенным температурам воздуха на выходе.
Другой тип ротационного компрессора - компрессор Лисхольма, который использует внутреннее сжатие для устранения проблем, вызванных «обратным сжатием». Обычно эти компрессоры более эффективны, однако их производительность в большой степени зависит от поддержания очень малых зазоров между движущимися элементами, представляя, таким образом, значительные производственные проблемы. Недостаточная герметичность между элементами ведет к утечке газа, ограничивая давления, которые можно получить, используя только один компрессор.
Компрессоры рассмотренных выше типов используются в двигателях внутреннего сгорания. В частности, ротационные компрессоры Рутса, винтовые компрессоры с одним червяком, или компрессоры Лисхольма, используются в ротационных двигателях совместно с соответствующим детандером, который позволяет извлекать полезную работу в процессе расширения горячих сжатых газов. Ротационные двигатели подобно ротационным компрессорам могут иметь меньше движущихся частей, и, таким образом, они более надежны, чем их поршневые аналоги. К тому же снижаются производственные и эксплуатационные издержки. Обычно ротационные двигатели производят меньше шума и могут иметь больше циклов сгорания в секунду по сравнению с поршневыми двигателями, приводя, таким образом, к более высокой удельной мощности.
Идеальный цикл, к которому стремится большинство двигателей внутреннего сгорания, - это цикл Отто. Цикл Отто имеет один недостаток, состоящий в том, что количество работы, которое может быть выделено из горячих, сжатых газов, ограничено, т.к. коэффициент расширения газа в двигателе не может превышать коэффициента сжатия. Газы в конце этапа адиабатического расширения в цикле Отто могли бы произвести больше работы, если была бы возможность произвести дальнейшее расширение до давления окружающей среды. Этот недостаток устранен в идеальном цикле, известном как цикл Аткинсона-Миллера. Этот цикл допускает адиабатическое расширение до давления окружающей среды, и, таким образом, коэффициенты сжатия и расширения газа могут быть различными. Был предложен ряд ротационных двигателей внутреннего сгорания, использующих цикл Аткинсона-Миллера. Однако конструкции этих двигателей обычно имеют много движущихся частей, или в них используются части, которые трудны в изготовлении. Преимуществом конструкций ротационных двигателей является высокий коэффициент сжатия, так что они могут использоваться в двигателях с воспламенением от сжатия, таких как дизельные двигатели. Выходная мощность ротационного двигателя должна быть плавной и непрерывной с минимальной вибрацией. Шум и механический износ также должны быть минимальны.
Хорошо известны различные ротационные двигатели с одним червяком, в которых сжатие и расширение происходит в каналах винтовой формы, образованных на поверхности поворотного блока. Отдельные рабочие камеры образованы винтовым каналом, поверхностью, которая окружает поворотный блок и обеспечивает герметичность винтового канала, и зубчатыми колесами или лопатками, которые зацепляются с винтовым каналом. Например, в патенте GB 653185 описан ротационный двигатель, в котором сжатие и расширение происходят благодаря винтовому каналу переменной глубины и в котором изменяющиеся части зубцов колес или лопаток образуют рабочие камеры. В двигателе, описанном в GB 653185, конец зубца или лопатки остается внутри канала, а сам зубец или лопатка всегда контактируют с газом в рабочей камере. В дополнение к этому форма зубца колеса или лопатки незначительно влияет на коэффициент сжатия или расширения, а сжатие и расширение совершаются в различных частях двигателя.
В патентах США №3862623 и №3897756 описаны ротационные двигатели, в которых поворотный блок поворачивается вокруг своей оси только на часть полного оборота в каждом цикле и в которых сжатие и расширение происходят в зависимости от положения зубцов или лопаток вращающегося колеса. В таких двигателях глубина канала не меняется, и, таким образом, для сжатия и расширения должны использоваться две разные рабочие камеры.
В патентах США №4003348, №4005682 и №4013046 описаны ротационные двигатели, имеющие различные коэффициенты сжатия и расширения газа. Однако для управления потоком топлива и воздуха они имеют каналы сложной формы, и это представляет значительные производственные проблемы. В патенте США №4013046 описан ротационный двигатель, в котором клапаны открываются и закрываются для регулировки потока газов в каждом цикле.
В патентах США №2674982, №3208437, №3060910, №3221717 и №3205874 описаны ротационные двигатели, в которых рабочие камеры образованы сцепляющимися зубчатыми или лопастными колесами. Однако в этих двигателях рабочая камера образована сначала одним колесом, а затем другим колесом так, что возникает необходимость обеспечения герметичности более чем одной вращающейся части.
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения предложен ротационный двигатель для работы со сжимаемыми текучими средами, содержащий: первый ротор, установленный с возможностью вращения вокруг первой оси; корпус, имеющий поверхность, которая охватывает по меньшей мере часть первого ротора; вытянутую полость с переменной площадью поперечного сечения, образованную между поверхностью первого ротора и поверхностью корпуса; и вторые роторы, установленные с возможностью вращения вокруг соответствующих различных вторых осей, причем каждый из вторых роторов выступает через паз на поверхности корпуса и взаимодействует с поверхностью первого ротора, разделяя полость на смежные рабочие части; при этом каждый из вторых роторов содержит выступающие части, имеющие соответственно разные радиусы относительно второй оси, что приводит к тому, что выступающие участки выступают в полость на разные величины так, что объемы рабочих частей изменяются по мере поворота первого и вторых роторов; при этом во время работы двигателя текучие среды в его рабочей части подвергаются сжатию, сгоранию и расширению как замкнутый объем, причем этот замкнутый объем образован во время сжатия, сгорания и расширения теми же самыми двумя смежными вторыми роторами.
Первый ротор и каждый из вторых роторов имеют переменные радиусы. Следовательно, поверхность корпуса, имеющая постоянный радиус, и поверхность первого ротора образуют полость, проходящую вокруг первой оси. По мере вращения первого ротора вокруг первой оси, полость также вращается вокруг нее. Каждый из вторых роторов выступает через поверхность корпуса. По мере вращения каждого из вторых роторов величина, на которую он выступает от поверхности корпуса, изменяется. Фактически, вращение первого ротора и каждого из вторых роторов скоординированы так, что они сцепляются вместе для обеспечения герметичности. Таким образом, каждый из вторых роторов образует несколько рабочих частей полости. Первый ротор также может образовывать рабочие части полости там, где его радиус будет максимален, образуя герметичный контакт с корпусом. Во время вращения полости вокруг первой оси объемы рабочих частей полости меняются, обеспечивая, таким образом, сжатие и расширение текучей среды внутри нее.
Ротационные двигатели, таким образом, могут быть выполнены с рядом необходимых качеств, оставаясь в то же самое время простыми в производстве и эксплуатации. Работа ротационных двигателей основана на внутреннем сжатии, избегая, таким образом, недостатков, связанных с «обратным сжатием», таких как низкая производительность. В то же самое время простота конструкции обеспечивает эффективный герметичный контакт между различными элементами ротационного двигателя, избегая, таким образом, производственных сложностей и других проблем, связанных с уже известными ротационными двигателями, работающими на внутреннем сжатии.
Первый и каждый из вторых роторов предпочтительно содержит цельные сегменты, каждый из которых имеет разные радиусы. Что касается вторых роторов, то их сегменты являются выступающими частями.
Вторые роторы предпочтительно распределены вокруг поверхности корпуса, причем каждый из них установлен с возможностью вращения вокруг соответствующей оси, которая перпендикулярна как первой оси, так и радиусу поверхности корпуса. Таким способом можно образовать несколько рабочих частей полости, в каждой из которых может одновременно совершаться процесс сжатия и/или расширения.
Первый ротор может располагаться внутри по отношению к поверхности корпуса, а вторые роторы - снаружи по отношению к этой поверхности. В этом случае первый ротор будет по существу цилиндрическим. В качестве варианта первый ротор может располагаться снаружи по отношению к поверхности корпуса, а вторые роторы - внутри по отношению к этой поверхности. В этом случае первый ротор будет по существу иметь форму кольца.
Ротационный двигатель совершает сжатие, за которым следует расширение. Вращение первого ротора и каждого из вторых роторов приводит к уменьшению объема рабочих частей полости, а затем к его увеличению во время каждого цикла. Поскольку сжатие и расширение совершаются различными частями поверхности первого ротора, то двигатель может быть выполнен с различными коэффициентами сжатия и расширения.
Ротационный двигатель также предпочтительно содержит средства воспламенения сжатой текучей среды перед ее расширением. Например, воспламеняющие средства могут иметь свечу зажигания. Таким образом, когда давление газов внутри рабочей части полости максимально, можно вызвать дальнейшее резкое повышение давления. Например, если в качестве газов выступает смесь топлива и кислорода, то свеча зажигания может инициировать сгорание, как в обычном бензиновом двигателе. В качестве варианта, если газы содержат сильно сжатый кислород, то впрыск топлива сам по себе может инициировать сгорание, как в обычном дизельном двигателе. Могут быть использованы и другие способы, вызывающие дальнейшее резкое повышение давления, такие как впрыск небольшого объема газа при низкой температуре и высоком давлении. Резкое повышение давления позволяет получить большее количество работы во время расширения, чем было израсходовано при сжатии, приводя, таким образом, двигатель в действие.
Первый ротор также предпочтительно содержит по меньшей мере один проход для впуска или выпуска жидкости. Первый ротор может даже включать проходы как для впуска, так и для выпуска текучей среды. В этом случае текучие среды могут втягиваться, или вталкиваться, в рабочие части полости или выкачиваться, или выталкиваться, из рабочих частей полости.
Корпус также может содержать по меньшей мере один боковой клапан, выполненный с возможностью работы на впуск или на выпуск текучей среды, только когда он прилегает к рабочей части полости, при этом указанный по меньшей мере один боковой клапан прилегает к рабочей части полости только в течение части рабочего цикла устройства. Ротационный двигатель, таким образом, может быть выполнен так, что поверхность корпуса, на которой находится боковой клапан, граничит с рабочей частью полости, только когда требуется впуск или выпуск текучей среды.
Предпочтительно каждый указанный боковой клапан выполнен с возможностью изменения расхода текучей среды, поступающей в рабочую часть полости, изменения давления текучей среды в рабочей части полости или изменения коэффициента сжатия или расширения ротационного двигателя. Боковые клапаны могут, таким образом, регулировать работу ротационного двигателя.
Для регулирования работы каждого бокового клапана предпочтительно используется замкнутый контур петли обратной связи, основанный на таком рабочем параметре, как давление текучей среды на входе, давление текучей среды на выходе или частота вращения. В этом случае ряд параметров может поддерживаться при постоянном значении.
Настоящее изобретение также предлагает ротационный двигатель, содержащий два ротационных устройства, описанных выше. В этом случае соответствующие вторые роторы могут быть расположены так, что результирующие силы, действующие на первый ротор, минимальны. Например, этого можно достигнуть, если второй ротор каждого ротационного двигателя расположить на противоположных сторонах первого ротора, составляющего одно целое.
Изобретение описано ниже с помощью примера, в котором имеются ссылки на соответствующие чертежи, на которых:
Фиг.1 и 2 изображают поперечное сечение первого предлагаемого ротационного двигателя соответственно в первом и во втором положениях;
Фиг.3 изображает вид сбоку второго ротора первого предлагаемого ротационного двигателя;
Фиг.4 и 5 изображают поперечные сечения первого предлагаемого ротационного двигателя в третьем и четвертом положениях;
Фиг.6 изображает поперечное сечение второго предлагаемого ротационного двигателя;
Фиг.7 изображает поперечное сечение третьего предлагаемого ротационного двигателя;
Фиг.8 и 9 изображают поперечные сечения четвертого предлагаемого ротационного двигателя;
Фиг.10-14 изображают поперечные сечения пятого предлагаемого ротационного двигателя соответственно в положениях с первого по пятое;
Фиг.15 и 16 изображают поверхность первого ротора пятого предлагаемого ротационного двигателя соответственно в шестом и седьмом положениях;
Фиг.17 изображает поверхность первого ротора шестого предлагаемого ротационного двигателя;
Фиг.18 изображает поперечное сечение седьмого предлагаемого ротационного двигателя;
Фиг.19 изображает поперечное сечение восьмого предлагаемого ротационного двигателя;
Фиг.20-27 изображают поперечные сечения восьмого ротационного двигателя соответственно в положениях с первого по восьмое;
Фиг.28 и 29 изображают поперечные сечения девятого предлагаемого ротационного двигателя соответственно в первом и во втором положениях;
Фиг.30 изображает поверхность первого ротора девятого предлагаемого ротационного двигателя;
Фиг.31 изображает поперечное сечение первого компрессора;
Фиг. 32 и 33 изображают поверхность первого ротора первого компрессора соответственно в положениях с первого по третье;
Фиг.34 изображает поверхность первого ротора второго компрессора;
Фиг.35 изображает поперечное сечение третьего компрессора;
Фиг.36 изображает поверхность первого ротора третьего компрессора;
Фиг.37 изображает поперечное сечение десятого предлагаемого ротационного двигателя;
Фиг.38 и 39 изображают поперечные сечения соответственно одиннадцатого и двенадцатого предлагаемых двигателей;
Фиг.40 изображает боковой профиль второго ротора тринадцатого предлагаемого ротационного двигателя;
Фиг.41 изображает поперечное сечение четырнадцатого предлагаемого ротационного двигателя;
Фиг.42, 43, 44 и 45 иллюстрируют отличительные особенности вторых роторов, показанных на фиг.1-41; и
Фиг.46 иллюстрирует отличительные особенности устройств, показанных на фиг.1-41.
Следует заметить, что все чертежи являются схематичными и, таким образом, выполнены не в масштабе. Например, для большей ясности определенные размеры могут быть увеличены.
Фиг.1-5 изображают первый предлагаемый ротационный двигатель, который содержит первый ротор 1, корпус 2, три вторых ротора 3а, 3б, 3с, три свечи зажигания 8а, 8б, 8с и вал отбора мощности (не показан).
Первый ротор 1 установлен для вращения вокруг первой оси 6. Первый ротор представляет собой по существу цилиндрический кусок материала, но имеющий большие колебания в величине радиуса. Первый ротор 1 выполнен из стали, хотя специалисты в этой области техники поймут, что он предпочтительно может быть изготовлен и из других материалов. Это относится и к подходящим материалам для других рассмотренных здесь частей первого ротационного двигателя.
По существу цилиндрический первый ротор 1 в основном образован из четырех сегментов, каждый из которых имеет разный радиус: герметизирующего сегмента 1а, сегмента 1b сжатия, сегмента 1с сгорания и сегмента 1d расширения. Герметизирующий сегмент 1а перекрывает очень маленький угол вокруг первой оси 6, но имеет самый большой радиус. Сегменты сжатия, сгорания и расширения, 1b, 1с, 1d, каждый перекрывают немного меньше 120° вокруг первой оси.
Во время вращения герметизирующий сегмент 1а следует за сегментом 1b сжатия, который, в свою очередь, следует за сегментом 1с сгорания, который следует за сегментом 1d расширения. Радиус сегмента 1с сгорания немного меньше радиуса герметизирующего сегмента 1а. Радиус сегмента 1b сжатия меньше, чем радиус сегмента 1с сгорания. Радиус сегмента 1d расширения меньше радиуса сегмента 1b сжатия. Первый ротор 1 также содержит проход 4 для впуска текучей среды и проход 9 для выпуска текучей среды, прилегающие к герметизирующему сегменту 1а.
Корпус 2 имеет по существу цилиндрическую поверхность постоянного радиуса, с центром на первой оси 6 и частично охватывающую первый ротор 1. Корпус 2 также содержит торцевые стенки 2а, которые препятствуют аксиальному движению первого ротора 1 вдоль первой оси 6. Торцевые стенки 2а также обеспечивают герметичность между корпусом 2 и краями первого ротора 1.
Полость 5а, 5b, 5с образована между первым ротором 1 и корпусом 2. Площадь поперечного сечения полости 5а, 5b, 5с изменяется относительно первой оси 6 в зависимости от радиуса первого ротора 1. Например, площадь поперечного сечения полости мала там, где полость примыкает к сегменту 1с сгорания, и велика там, где полость примыкает к сегменту 1d расширения. К герметизирующему сегменту 1а первого ротора 1 не примыкает никакой полости. Зато этот сегмент контактирует с корпусом 2 для обеспечения герметичности. Герметизирующий сегмент 1а также образует начало и конец полости 5а, 5b, 5с. Во время вращения первого ротора 1 полость 5а, 5b, 5с также вращается.
Каждый из трех вторых роторов 3а, 3b, 3с установлен вокруг корпуса 2 через 120° относительно оси 6. Все вторые роторы 3а, 3b, 3с установлены на одном расстоянии вдоль оси от торцов корпуса 2. Каждый из вторых роторов 3а, 3b, 3с установлен с возможностью вращения вокруг соответствующих осей, перпендикулярных первой оси 6 и радиусу первого ротора 1. Во время вращения вторых роторов 3а, 3b, 3с каждый из них выступает через корпус 2 в полость 5а, 5b, 5с на переменную величину. Между каждым из вторых роторов 3а, 3b, 3с и корпусом 2 образован герметичный контакт.
Фиг.3 изображает вид сбоку одного из вторых роторов 3а, 3b, 3с и ось 7, относительно которой он вращается. Фиг.4 и 5 изображают поперечные сечения двигателя, перпендикулярные оси 7. Фиг.4 и 5 отчетливо показывают как торцевые стенки 2а корпуса 2, так и цилиндрическую поверхность. Из фиг.3 можно видеть, что, как и первый ротор 1, каждый из вторых роторов 3а, 3b, 3с образован из четырех сегментов, каждый из которых имеет разный радиус. Радиус каждого из сегментов второго ротора 3а, 3b, 3с выполнен таким, что при работе двигателя все сегменты каждого из вторых роторов взаимодействуют с разными сегментами 1а, 1b, 1c, 1d первого ротора 1 для обеспечения герметичности. Вторые роторы 3а, 3b, 3с образуют, таким образом, три или четыре рабочие части полости.
Вторые роторы 3а, 3б, 3с представляют собой тонкие плоские элементы. Однако из фиг.1 и 2 можно увидеть, а специалисты в этой области техники могут понять, что для того, чтобы выдержать силы, действующие на вторые роторы 3а, 3b, 3с во время их работы, последние должны иметь определенную толщину. Специалисты также смогут понять, что форма вторых роторов 3а, 3b, 3с должна быть такой, чтобы образовался хороший герметичный контакт с первым ротором 1. Каждый из вторых роторов 3а, 3b, 3с приводится в движение так, чтобы он вращался с той же самой угловой скоростью, что и первый ротор. Специалистам в этой области техники хорошо известны различные механизмы приведения в движение вторых роторов 3а, 3b, 3с с той же угловой скоростью, что и первого ротора. Например, элементы могут быть соединены вместе приводом.
Свечи зажигания 8а, 8b и 8с установлены в корпусе 2 через интервалы в 120° вокруг первой оси 6 посередине между вторыми роторами 3а, 3b, 3с. Свечи зажигания 8а, 8b, 8с находятся на одном уровне с поверхностью корпуса, не выступая в полость. Специалистам в этой области техники известны средства обеспечения работы свеч зажигания (не показаны).
Во время работы двигателя первый ротор поворачивается вокруг оси 6. Из фиг.1 и 4 видно, что по мере вращения первого ротора 1 газы в виде испарившегося топлива и кислорода втягиваются в первый ротационный двигатель через проход 4 для впуска текучей среды. Газы втягиваются в рабочую часть полости, образованную между герметизирующим сегментом 1а первого ротора 1 и вторым ротором 3а. Эта рабочая полость расширяется по мере того, как первый ротор 1 поворачивается, создавая, таким образом, разрежение, которое втягивает газы.
Фиг.2 изображает первый ротационный двигатель с первым ротором 1, повернутым вперед на 60° по отношению к ротору, изображенному на фиг.1. Герметизирующий сегмент 1а первого ротора 1 теперь повернут ко второму ротору 3с. Рабочая часть полости поэтому теперь образована между вторыми роторами 3а и 3с. Проход 4 для впуска текучей среды собирается повернуться за второй ротор 3с, тем самым приводя к тому, что газы, втянутые в ротационный двигатель, оказываются полностью заключенными в нем.
Дальнейшее вращение первого ротора 1 приводит к тому, что сегмент 1с сгорания начинает поворот в рабочую часть полости, образованную между вторыми роторами 3а и 3с. Больший радиус сегмента 1с сгорания по сравнению с сегментом 1b сжатия приводит к тому, что объем рабочей части полости начинает уменьшаться. Поскольку рабочая часть полости полностью закрыта, то давление газов повышается. Давление газов продолжает повышаться до тех пор, пока объем рабочей части полости не достигнет минимума. Этот минимальный объем образуется тогда, когда сегмент 1с сгорания первого ротора 1 полностью повернут за второй ротор 3а.
В этом положении сжатые газы в рабочей части полости воспламеняются посредством свечи зажигания 8с. Сгорание газов вызывает дальнейшее резкое повышение давления.
Дальнейший поворот первого ротора 1 приводит к тому, что сегмент 1d расширения начинает поворот в рабочую часть полости, образованную между вторыми роторами 3а и 3с. Меньший радиус сегмента 1d расширения по сравнению с сегментом 1с сгорания приводит к увеличению объема рабочей части полости. Сильно сжатые газы совершают работу по мере их расширения, таким образом приводя в движение двигатель. Газы продолжают совершать работу до тех пор, пока сегмент 1d расширения первого ротора 1 полностью не повернется за второй ротор 3а. Так как сегменты сжатия и расширения 1b и 1d первого ротора 1 имеют разные радиусы, то коэффициенты сжатия и расширения первого ротационного двигателя могут быть разными. Следовательно, изобретение позволяет использовать эффективный цикл Аткинсона-Миллера.
В заключение герметизирующий сегмент 1а начинает поворот в рабочую часть полости, образованную между вторыми роторами 3а и 3с. Отработанные газы выталкиваются через выпускное отверстие 9 для текучей среды, и, как только свежие газы втягиваются в рабочую часть полости через впускное отверстие 4 для текучей среды, начинается новый цикл.
Во время работы двигателя цикл сжатие - сгорание - расширение, описанный выше, также одновременно совершается в рабочих полостях, образованных между вторыми роторами 3а и 3b, 3b и 3с. Мощность от первого ротационного двигателя можно передать через вал отбора мощности (не показан), соединенный с первым ротором 1.
Фиг.6 изображает второй предлагаемый ротационный двигатель. В этом ротационном двигателе элементы, выполняющие функции, аналогичные тем, которые выполняют элементы, изображенные на фиг.1-5, обозначены теми же номерами. Второй ротационный двигатель имеет первый ротор 1 в виде кольца, установленного снаружи корпуса 2. Три вторых ротора 3а, 3b, 3с установлены внутри корпуса 2. Второй ротационный двигатель работает таким же образом, что и первый ротационный двигатель, с циклом сжатие - сгорание - расширение, одновременно совершающимся в рабочих частях полости, образованной между соседними вторыми роторами.
Фиг.7 изображает третий ротационный двигатель согласно изобретению. В третьем ротационном двигателе первый ротор 1 выполнен по существу цилиндрическим. Однако все сегменты 1а, 1b, 1с и 1d, герметизирующий, сжатия, сгорания и расширения, выступают наружу в направлении, параллельном первой оси 6. Корпус 2, включая торцевые стенки 2а, таким образом, имеет форму кольца, проходящего вокруг первой оси 6, с поперечным сечением в форме канала. Тем не менее, третий ротационный двигатель работает таким же образом, как первый и второй ротационные двигатели. Для охлаждения третий ротационный двигатель также предпочтительно имеет охлаждающие ребра, составляющие единое целое с одной стороной первого ротора. Для специалистов в этой области техники будут очевидны и другие конструкции первого ротора.
В третьем ротационном двигателе торцевые стенки корпуса 2 не параллельны, а расположены под углом θ друг к другу. Угол θ определяется относительно центра второго ротора и образован внутренними поверхностями торцевых стенок корпуса 2а. Во время работы двигателя, когда объем рабочей части полости минимален, сегменты всех вторых роторов, образующих рабочую часть, должны одновременно выступать в корпус по меньшей мере на угол θ. В третьем ротационном двигателе, использующем три вторых ротора, каждый из вторых роторов сдвинут по фазе на 120°. Сегмент вторых роторов, соответствующий сегменту сгорания первого ротора, должен, таким образом, перекрывать угол 120°+θ.
Торцевые стенки 2а корпуса 2, изображенные на фиг.7, благодаря меньшему значению угла θ обеспечивают более эффективную конструкцию, чем конструкция, изображенная на фиг.4 и 5.
В ротационных двигателях, изображенных на фиг.4, 5 и 7, угол θ должен быть настолько мал, чтобы, как только сегмент второго ротора повернулся в корпус 2 на угол θ для образования двух рабочих частей полости и герметичного контакта, последний сохранялся до тех пор, пока сегмент первого ротора 1, с которым взаимодействует сегмент второго ротора, не повернется дальше. Это ограничивает размеры полости, а следовательно, и мощность, которую может вырабатывать двигатель.
Фиг.8 и 9 изображают четвертый предлагаемый ротационный двигатель, который устраняет указанные выше проблемы. Угол θ в четвертом ротационном двигателе больше, чем в первом - третьем ротационных двигателях. Такое увеличение угла θ достигается путем видоизменения сегментов, которые составляют первый ротор 1, и путем видоизменения каждого из вторых роторов 3а, 3b, 3с. В четвертом ротационном двигателе сегмент каждого из вторых роторов, который взаимодействует с сегментом 1с сгорания первого ротора, перекрывает угол θ+120°. Это обеспечивает достаточно продолжительное время наличия герметичного контакта, который образуется между сегментом 1с сгорания первого ротора и прилегающим к нему вторым ротором. Для выполнения этого дополнительного перекрытия уменьшено перекрытие сегмента каждого из вторых роторов, которые взаимодействуют с сегментом 1с сгорания первого ротора 1. Однако для компенсирования уменьшения перекрытия увеличен радиус этого сегмента. Это сопровождается соответствующим уменьшением перекрытия и уменьшением радиуса сегмента 1b сжатия первого ротора 1.
Когда газы втягиваются в четвертый ротационный двигатель, они поступают в рабочую часть полости, прилегающую к сегменту 1b сжатия первого ротора 1. Хотя угол перекрытия первого ротора 1 этим сегментом меньше, чем в первом - третьем ротационных двигателях, объем рабочей части полости до сжатия такой же, т.к. радиус сегмента 1b сжатия меньше с образованием, таким образом, большей площади поперечного сечения полости.
Фиг.10-16 изображают пятый предлагаемый ротационный двигатель. Как и в четвертом ротационном двигателе, радиусы сегмента сжатия и сегмента расширения первого ротора в нем одинаковы. Сегменты сжатия и расширения точно также перекрывают разные углы.
На фиг.10 конец герметизирующего сегмента первого ротора 1 повернут за второй ротор 3а, и поэтому газы начинают поступать в рабочую часть полости через отверстие, находящееся рядом с сегментом второго ротора 3а, который взаимодействует с сегментом 1b сжатия первого ротора 1.
На фиг.11 изображено положение элементов после дальнейшего поворота двигателя. Газы все еще поступают в двигатель, хотя это и не показано. Сегмент второго ротора 3а, взаимодействующий с сегментом сжатия первого ротора 1, теперь повернут к первому ротору, создавая, таким образом, герметичный контакт и две рабочие части полости.
На фиг.12 двигатель почти повернут для взаимодействия с сегментом сгорания первого ротора 1.
На фиг.13 двигатель повернут далее на 120°. На другом конце рабочей части полости ротор находится в положении, изображенном на фиг.12. Газы находятся в максимально сжатом состоянии, и происходит сгорание.
На фиг.14 изображен двигатель, повернутый далее. Теперь второй ротор 3а взаимодействует с сегментом расширения первого ротора 1. Газы, таким образом, выполняют работу по мере их расширения.
Дальнейший поворот двигателя приводит к тому, что второй ротор 3а поворачивается в положение, изображенное на фиг.10, в котором газы полностью расширены. Дальнейший поворот двигателя приводит к удалению отработанных газов из двигателя, как это изображено на фиг.11.
Фиг.15 и 16 изображают поверхность первого ротора 1 пятого ротационного двигателя. Фиг.15 и 16 также изображают взаимное расположение вторых роторов 3а, 3b, 3с. На фиг.16 первый ротор 1 повернут на 60° по сравнению с первым ротором, изображенным на фиг.15. Заштрихованная площадь показывает поверхности первого ротора 1, образующие полость, и вторые роторы 3а, 3b, 3с.
Фиг.17 изображает поверхность первого ротора 1 шестого предлагаемого ротационного двигателя. Фиг.17 также показывает взаимное расположение вторых роторов 3. Шестой ротационный двигатель имеет шесть вторых роторов 3, выполняющих цикл сжатие - сгорание - расширение в шести рабочих частях камеры. Наличие шести вторых роторов 3 позволяет каждому из них в отдельности располагаться на противоположных сторонах первой оси 6, уравновешивая, таким образом, силы, возникающие во время сгорания. Это минимизирует результирующие силы, действующие на первый ротор 1, и обеспечивает положение центра масс первого ротора 1 на первой оси 6.
Фиг.18 изображает поперечное сечение седьмого предлагаемого ротационного двигателя. Этот двигатель также имеет шесть вторых роторов 3, выполняющих цикл сжатие - сгорание - расширение в шести рабочих частях камеры. Силы, возникающие во время сгорания, уравновешиваются расположением роторов 3 на противоположных сторонах первого ротора 1.
Фиг.19-27 изображают поперечное сечение восьмого предлагаемого ротационного двигателя. Восьмой ротационный двигатель содержит большое количество вторых роторов 3, распределенных вокруг корпуса 2. Каждый из вторых роторов 3 включает в себя две лопасти неравной длины. Вторые роторы во время поворота выступают в полость, образованную между первыми роторами 1 и корпусом 2. В отличие от первого - седьмого ротационных двигателей площадь поперечного сечения полости меняется постепенно вокруг первой оси 6.
Фиг.20-27 изображают восьмой ротационный двигатель на различных стадиях процесса сжатие - сгорание - расширение. На фиг.20 второй ротор 3 повернут в положение, в котором он не выступает в первый ротор 1. В этом положении герметичный контакт образован между первым ротором 1 и корпусом 2. Этот контакт образует два края полости, которая проходит вокруг первой оси 6, и гарантирует, что поступившие в полость свежие газы не будут смешиваться с отработанными газами.
На фиг.21 первый ротор повернут в полость, образованную между первым ротором 1 и корпусом 2. Рабочая часть полости теперь образована между герметичным контактом, образованным первым ротором 1 и корпусом 2, и вторым ротором 3. Газы втягиваются в рабочую часть полости по мере ее расширения через проход 4 для впуска текучей среды, как показано стрелкой.
Двигатель продолжает вращаться, и газы поступают в полость до тех пор, пока второй ротор 3 не повернется в положение, изображенное на фиг.22. В этом положении рабочая часть полости образована между соседними вторыми роторами 3. Проход для впуска текучей среды теперь отвернут от рабочей части полости, которая полностью замкнута.
Дальнейшее вращение двигателя приводит к дальнейшему повороту второго ротора, как это изображено на фиг.23. В этом положении рабочая часть полости сужается, сжимая, таким образом, заключенные в ней газы.
Рабочая часть полости продолжает сужаться до тех пор, пока второй ротор 3 не достигнет положения, изображенного на фиг.24. В этом положении объем рабочей части полости минимален, и газы, содержащиеся в ней, сжаты. После этого инициируется процесс сгорания газов, вызывая, таким образом, дальнейшее увеличение их давления.
Продолжающееся вращение двигателя приводит к расширению полости, как это показано на фиг.25. По мере расширения газы совершают работу, и мощность извлекается из двигателя через вал отбора мощности (не показан), соединенный с первым ротором.
Газы в рабочей части полости продолжают расширяться до тех пор, пока второй ротор 3 не займет положение, изображенное на фиг.26. В этом положении объем рабочей части полости максимален. Площадь поперечного сечения полости, изображенной на фиг.26, больше площади поперечного сечения полости, изображенной на фиг.22. Таким образом, коэффициент расширения двигателя больше, чем его коэффициент сжатия. Различные коэффициенты расширения и сжатия возможны, т.к. каждый из вторых роторов 3 содержит две лопасти разной формы. Одна из этих лопастей используется во время сжатия, а другая - во время расширения.
Как только газы полностью расширены, двигатель продолжает вращение, так что отработанные газы удаляются, как это изображено на фиг.27. В этом положении второй ротор 3 повернут еще дальше так, что рабочая часть полости сужается. Первый ротор 1 также повернут таким образом, что канал для выпуска текучей среды выступает в рабочую часть полости. По мере сужения рабочей части полости газы, содержащиеся в ней, удаляются из двигателя через проход 9 для выпуска текучей среды, завершая, таким образом, цикл работы ротационного двигателя.
Фиг.28-30 показывают девятый предлагаемый ротационный двигатель. Этот двигатель использует скользящие клапаны 10 для регулирования его коэффициента сжатия. Скользящие клапаны 10 находятся в той области поверхности корпуса, которая образует рабочую часть полости во время сжатия газов, но не во время их расширения. Это обеспечивается тем, что сегмент каждого из вторых роторов, который взаимодействует с сегментом сжатия первого ротора 1, имеет самый большой радиус.
Для предотвращения прохода отработанных газов через скользящие клапаны 10 внутри первого ротора 1 выполнен проход 9 для выпуска текучей среды, как это изображено на фиг.29. В этом отношении девятый ротационный двигатель отличается от других предлагаемых ротационных двигателей, например от пятого ротационного двигателя, изображенного на фиг.11. Конструкция первого ротора 1, изображенная на фиг.29, позволяет газам во время их выпуска протекать между рабочими частями полости, образованными на противоположных сторонах второго ротора 3а, и обеспечивает, таким образом, путь для выпуска газов по мере того, как рабочая часть полости сужается.
Фиг.30 изображает поверхность первого ротора 1 девятого ротационного двигателя вместе с указанием взаимного расположения вторых роторов 3а, 3b, 3с и скользящих клапанов 10. Каждый клапан 10 имеет скользящую крышку 11. Фиг.30 показывает расположение этих крышек, когда клапаны 10 полностью открыты.
Клапаны 10 позволяют модифицировать цикл сжатие - сгорание - расширение двигателя. В частности, цикл может быть изменен так, что некоторая часть сжатых газов выводится через клапан из рабочей части полости до сгорания, уменьшая, таким образом, коэффициент сжатия двигателя. Эти газы предпочтительно рециркулируются для уменьшения нерациональности использования топлива. Изменяя степень открытия клапанов 10, можно регулировать давление газов и, следовательно, коэффициент сжатия двигателя. Таким способом клапаны 10 можно использовать для регулирования выходной мощности двигателя.
Скользящие клапаны 10 используются только во время сжатия газов. Следовательно, эти клапаны 10 могут оставаться в одном и том же положении на протяжении всего цикла сжатие - сгорание - расширение. Положение клапанов 10 меняется только тогда, когда требуется изменение коэффициента сжатия двигателя. Этот принцип работы отличается от принципа работы обычного двигателя внутреннего сгорания, в котором клапаны открывают и закрывают в каждом цикле сжатие - сгорание - расширение,
Возможны и другие варианты расположения клапанов, и они известны специалистам в этой области техники. Например, можно предусмотреть дополнительные боковые клапаны, при этом скользящие крышки боковых клапанов могут скользить в разных направлениях по отношению к направлениям, показанным на чертежах, и вместо скользящих клапанов можно предусмотреть боковые клапаны без скользящих крышек. Клапаны могут быть выполнены в отдельной входной части для текучей среды в ротационный двигатель или же могут быть выполнены в комбинации с одним или несколькими проходами для впуска текучей среды в первый ротор 1. При условии, что клапаны осуществляют впуск текучей среды в ротационный двигатель, их можно использовать для регулирования момента зажигания, когда газы больше не поступают в двигатель.
Фиг.31-33 изображают первый компрессор. Первый компрессор работает таким же образом, что и описанные выше предлагаемые ротационные двигатели. Однако удаление из рабочего цикла этапов сгорания и расширения упрощает его конструкцию. Компрессор содержит один второй ротор 3, который вращается с угловой скоростью в два раза меньше, чем угловая скорость вращения первого ротора 1. Газы поступают в компрессор, сжимаются, а затем выпускаются через скользящий клапан 10. Клапан 10 можно использовать для регулирования степени сжатия газов компрессором. Первый ротор 1 может быть выполнен таким образом, чтобы во время выпуска сжатых газов они могли проходить между рабочими частями полости, образованными на противоположных сторонах второго ротора 3. Такое выполнение обеспечивает путь для выпуска газов по мере сужения рабочей части полости.
Компрессор может содержать два вторых ротора для уравновешивания сил, действующих на первый ротор 1. Этого можно достигнуть, используя методы, проиллюстрированные на фиг.17 и 18 и в описании к ним.
Фиг.34 изображает второй компрессор. В этом компрессоре объем рабочей части полости больше, чем в первом компрессоре.
Фиг.35 и 36 изображают третий компрессор. В этом компрессоре скользящие клапаны 10 используют для управления впуском газов, нежели их выпуском.
Первый, второй и третий компрессоры могут работать как детандеры. В этом случае сжатые газы подают в выпускное отверстие для текучей среды, а первый и второй роторы приводят в движение в направлениях, противоположных тем, которые изображены на чертежах.
Фиг.37 изображает поперечное сечение десятого предлагаемого ротационного двигателя. В этом двигателе ко вторым роторам 3 добавлен ряд малых зубцов 12. В этом случае первый ротор 1 может непосредственно приводить в движение вторые роторы 3 с заданной угловой скоростью. Малые зубцы 12 и части первого ротора 1, с которыми они зацепляются, имеют предпочтительно закругленные углы.
Фиг.38-39 изображают поперечные сечения соответственно одиннадцатого и двенадцатого предлагаемых ротационных двигателей. Одиннадцатый ротационный двигатель содержит вторые роторы 3, центр тяжести которых находится на их осях вращения. Это сделано для облегчения их изготовления и достигается путем удвоения числа сегментов, предусмотренных во вторых роторах, которые описаны в других вариантах изобретения ротационных двигателей. Сегменты вторых роторов 3 перекрывают меньшие углы, чем в других описанных ротационных двигателях, и, таким образом, образуют меньшие объемы полостей рабочих частей полости. Однако в одиннадцатом ротационном двигателе это в некоторой степени компенсируется наличием полостей на каждой стороне второго ротора 3. В результате этого одиннадцатый ротационный двигатель может работать как комбинированный двигатель.
В двенадцатом ротационном двигателе, изображенном на фиг.39, две полости расположены не в фазе, обеспечивая, таким образом, более плавный выход мощности. Излишний материал также был удален из первого ротора 1 двенадцатого ротационного двигателя. Это уменьшает вес двигателя, уменьшает площадь соприкосновения между первым ротором 1 и корпусом 2 и обеспечивает усиленную вентиляцию двигателя.
Форма вторых роторов соответствует форме поперечного сечения полости. Поскольку сила пропорциональна разнице давлений, умноженной на площадь, то при соответствующей форме вторых роторов можно получить двигатель, имеющий постоянную выходную мощность в пределах одного полного оборота. Для двигателя, имеющего одну полость, площадь первого ротора, над которым совершается работа, равна разнице площадей вторых роторов, которые образуют оба конца полости. Можно рассчитать объем и, следовательно, давление газов внутри полости. Эти давление и объем позволяют вычислить имеющуюся в наличии энергию как функцию вращения первого ротора и, таким образом, вычислить крутящий момент двигателя. Можно определить крутящий момент от каждой полости. Затем можно определить такую форму вторых роторов, которая обеспечила бы двигатель равномерным крутящим моментом на выходе.
Форму вторых роторов можно точно определить из радиуса, зависящего от угла. Для определения формы вторых роторов, обеспечивающей двигатель плавным выходом мощности, специалисты пользуются известными вычислительными методиками, имеющими цель «увеличение минимума крутящего момента».
Фиг.40 изображает вариант формы второго ротора 3, которую можно использовать для создания двигателя с плавным выходом мощности. Острый выступ в левой верхней части второго ротора 3а уменьшает площадь, совершающую сжатие газов при высоком давлении. Подобным образом острый выступ в правой нижней части второго ротора 3а позволяет осуществить постепенное расширение газов при высоком давлении и быстрое расширение газов при более низком давлении, обеспечивая, таким образом, двигатель ровным выходом мощности.
Фиг.41 изображает поперечное сечение четырнадцатого предлагаемого ротационного двигателя. Этот двигатель имеет кольцеобразный первый ротор 1, который установлен снаружи корпуса 2. Два вторых ротора 3а и 3b установлены внутри корпуса 2. В четырнадцатом ротационном двигателе эти элементы установлены так, что плоскость вторых роторов не пересекает ось первого ротора. Это позволяет вторым роторам иметь максимальный радиус, который больше, чем внутренний радиус корпуса, увеличивая тем самым рабочий объем при заданном радиусе двигателя. Этот двигатель также имеет относительно небольшой радиус корпуса по сравнению с наружным радиусом первого ротора. Это создает относительно небольшую поверхность трения между первым ротором и корпусом и относительно малую длину, на которой происходит утечка текучей среды между корпусом и первым ротором. Такая конструкция дает те же преимущества для компрессоров и детандеров.
Фиг.42-46 иллюстрируют некоторые особенности предлагаемого устройства, которые отличают его от известных ротационных устройств. Отметим, что варианты выполнения, изображенные на этих чертежах, уже описаны со ссылками на предыдущие чертежи и что фиг.42-46 не добавляют дополнительных сведений, необходимых для создания двигателя или для понимания его работы.
Фиг.42-44 изображают вторые роторы 3, которые могут быть представлены как роторы, имеющие один большой зубец. Фиг.45 изображает второй ротор, который может быть представлен как ротор, имеющий два больших зубца. Зубцы являются частями второго ротора, которые в определенные части цикла выступают в полость, образованную корпусом и первым ротором. Зубцы задают значение «угла зубца» ϕ, измеряемого вокруг оси ротора 3. Обычно второй ротор выполнен так, что угол зубца немного меньше, чем 360°/t, где t - число зубцов. На фиг.42 и 43 угол ϕ зубца немного меньше чем 360°, и один зубец охватывает три цельных сегмента или выступающие части. На фиг.45 угол зубца немного меньше 180°, и каждый зубец охватывает три цельных сегмента или выступающие части. Фиг.46 показывает, что корпус 2 может быть представлен как корпус, имеющий угол ψ паза, измеряемый вокруг оси первого ротора 3, и образованный областью, в которой второй ротор может выступать в полость. В большинстве естественных вариантов выполнения устройства угол ϕ зубца больше, чем угол ψ паза.
Вышеизложенные варианты выполнения изобретения описаны лишь на примере варианта выполнения со ссылками на чертежи и являются лишь предпочтительными. Специалистам в этой области техники должно быть понятно, что существует множество других вариантов выполнения изобретения, не описанных здесь, при этом объем охраны изобретения определен формулой изобретения.
Реферат
Изобретение относится к ротационным двигателям. Ротационный двигатель, предназначенный для работы со сжимаемыми текучими средами, содержит первый ротор, установленный с возможностью вращения относительно первой оси, и корпус, поверхность которого заключает в себя по меньшей мере часть первого ротора. Между поверхностью первого ротора и поверхностью корпуса образована вытянутая полость с переменной площадью поперечного сечения. Двигатель также содержит несколько вторых роторов, вращающихся относительно соответствующей второй оси. Каждый из вторых роторов выступает через поверхность корпуса и взаимодействует с поверхностью первого ротора, разделяя полость на смежные рабочие части. По меньшей мере в одной из рабочих частей образован замкнутый объем для части цикла устройства. По мере того как первый и вторые роторы поворачиваются, объемы рабочих частей изменяются. Каждый из вторых роторов имеет несколько выступающих частей с радиусами, меняющимися относительно соответствующей второй оси так, что каждая выступающая часть выступает через корпус в полость на разную величину с обеспечением взаимодействия с поверхностью первого ротора. Обеспечивается эффективный герметичный контакт между различными элементами ротационного двигателя. 19 з.п. ф-лы, 46 ил.
