Роторный аксиальный двигатель - RU2148721C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а именно к роторным двигателям.

Известен роторно-поршневой двигатель Ванкеля [А.Ф.Крайнев. Словарь-справочник по механизмам. - М.: Машиностроение, 1987 г., стр. 40]. В двигателе трехгранный ротор размещен внутри цилиндрического корпуса, профиль которого выполнен по эпитрохоиде. Ротор установлен так, что он может вращаться на эксцентриковом валу и жестко соединен с зубчатым колесом, которое взаимодействует с неподвижным зубчатым колесом. Ротор с зубчатым колесом обкатывается по неподвижному колесу так, что его грани скользят по внутренней поверхности корпуса, отсекая переменные объемы камер внутреннего канала. При этом канал для прохождения рабочего тела образован между внутренней поверхностью корпуса и поверхностью ротора. Корпус снабжен окнами для подачи топливной смеси и выхода отработавших газов, а также соединенной с каналом камерой с установленной в ней свечой зажигания. Двигатель не имеет массивных деталей, совершающих возвратно-поступательное движение, благодаря чему повышается плавность хода, уменьшается уровень шума и вибрации при работе. Однако конструкция имеет недостатки, связанные с наличием зубчатых колес и эксцентрикового вала, что снижает надежность его работы.

В качестве прототипа выбран роторный аксиальный двигатель [Заявка PCT 94/04794, МКИ F 01 C 1/344, опубл. 03.03.94]. Двигатель имеет корпус, внутри которого на оси вращения закреплен дисковый ротор с установленными в его прорезях лопатками. Корпус из двух соединенных между собой массивных крышек. В кольцевой выемке каждой крышки со стороны ротора установлена съемная вставка, формирующая конфигурацию канала для прохождения рабочего тела. Таким образом, можно считать, что каждя крышка выполнена составной. Это прием использован в прототипе для повышения технологичности изготовления массивной крышки с каналом заданной конфигурации, которая диктуется формой лопатки и законом ее осевого возвратно-поступательного перемещения. В прототипе используются лопатки в форме прямоугольных пластин, короткие стороны которых, обращенные к крышкам, имеют радиусное закругление. Соответствующую форму в поперечном сечении имеет кольцевой канал для прохождения рабочего тела, который разделен диском ротора на две равные по объему части. В направлении вдоль оси ротора канал волнообразно изгибается по периодическому закону, симметрично относительно среднего сечения ротора, перпендикулярного оси ротора. Волна в развертке на плоскости имеет форму трапеции. Крышки снабжены окнами для подачи воздуха и выхода отработавших газов, а также камерой, соединенной с каналом, в которой установлена топливная форсунка. Прототип, в отличие от приведенного выше аналога, имеет аксиальное расположение дискового ротора и полностью уравновешен, а потому более надежен в эксплуатации. Однако при работе двигателя лопатки испытывают значительные пиковые нагрузки, вследствие ступенчатых изгибов канала. Кроме того, сложная система неподвижных уплотнений на лопатке приводит к их неравномерному износу в процессе работы. Уплотнения, находящиеся на закруглениях лопатки изнашиваются существенно быстрее, чем на прямых поверхностях, что приводит к потере герметичности рабочих камер, а следовательно, к падению мощности или даже к поломке двигателя.

В основу изобретения поставлена задача повышения надежности работы конструкции.

Поставленная задача решается тем, что в роторном аксиальном двигателе, включающем корпус, состоящий из соединенных между собой двух крышек, между которыми установлен закрепленный на оси ротор, на периферийной части которого имеются направляющие прорези, ориентированные в радиальных плоскостях вдоль оси ротора, в которых установлены лопатки с обеспечением возможности их возвратно-поступательного движения в направлении, параллельном оси ротора, на внутренней поверхности каждой крышки выполнена кольцевая выемка такой конфигурации, что при соединении крышек образуется кольцевой канал для прохождения рабочего тела, канал имеет в сечении, проходящем через ось ротора форму по форме лопатки и волнообразно изгибается по периодическому закону, симметрично относительно среднего сечения ротора, перпендикулярного его оси, при этом лопатки снабжены уплотнительными элементами, периферийная часть ротора с установленными лопатками размещена внутри кольцевого канала, а каждая крышка снабжена окнами для подачи воздуха в кольцевой канал и выхода отработавших газов, а также камерой, соединенной с кольцевым каналом, в которой установлена топливная форсунка, согласно изобретению каждая лопатка имеет форму уплощенного цилиндра, на боковой поверхности которого имеются два тангенциальных паза, расположенных диаметрально противоположно, выполненных с обеспечением возможности размещения лопатки в направляющей прорези ротора, уплотнительные элементы установлены на боковой поверхности дисковых частей лопатки с обеспечением возможности их свободного перемещения по периметру дисковых частей лопатки, канал волнообразно изгибается по синусоиде.

Изобретение иллюстрируется фигурами чертежей:
- фиг.1 - изометрия общего вида двигателя,
- фиг.2 - изометрия лопатки с уплотнительными элементами,
- фиг.3 - сечение А-А на фиг. 1 (по разъему крышки и ротора),
- фиг.4 - диаграмма рабочего процесса двигателя ( развертка на плоскости кольцевого сечения по средней линии канала).

Двигатель включает верхнюю крышку 1 и нижнюю крышку 2, соединенные болтами 3 через проставку 4. Ротор 5 закреплен на оси 6 с обеспечением возможности вращения на подшипниках 7. В направляющих прорезях ротора 5 на его периферийной части свободно установлены лопатки 8, имеющие форму уплощенного цилиндра. Крышки 1, 2 со стороны, обращенной к ротору 5, имеют кольцевые выемки 9, которые выполнены таким образом, что при сборе крышек в единую конструкцию образуется кольцевой канал 10 для прохождения рабочего тела, разделенный ротором 5. Кольцевой канал 10 имеет в сечении, проходящем через ось 6 форму окружности с диаметром, соответствующим диаметру лопатки. Кольцевой канал 10 волнообразно изгибается по синусоиде 11 симметрично относительно среднего сечения ротора 5, перпендикулярного оси 6. В крышках 1, 2 имеются окна 12 для впуска воздуха и окна 13 для выпуска отработанных газов. В теле каждой крышки имеются соединенные с каналом 10 камеры 14, в которых размещены топливные форсунки 15, а при необходимости калоризаторы (на фигурах не показаны).

Лопатка 8 имеет на боковой поверхности два тангенциальных паза 16, расположенные диаметрально противоположно. Уплотнительные элементы - кольца 17 - могут быть свободно установлены в пазах, выполненных на боковой поверхности дисковых участков лопаток 8.

Канал 10 делится ротором на две части, каждую из которых условно можно разделить на зоны: 18 - зона впуска воздуха, 19 - зона сжатия, 20 - зона рабочего хода, 21 - зона выпуска отработанных газов. При этом каждая рабочая зона верхней части канала сдвинута по отношению к аналогичной рабочей зоне нижней части канала на определенный угол. В случае, если "синусоида" канала имеет 2 периода, как показано на фиг. 4, то угол сдвига составляет 90^o. В двигателях с большей мощностью, а следовательно с большим диаметром ротора, целесообразно увеличивать количество периодов изгибов канала. В таком случае угол сдвига будет составлять меньшую величину.

Двигатель работает следующим образом.

В начальный момент пусковой механизм приводит во вращение ротор 5, и лопатки 8 начинают перемещаться по каналу 10. При этом в объем между соседними лопатками 8, находящимися в зоне 18 всасывается или нагнетается воздух через окно 12. Затем после прохождения окна обеими лопатками объем между ними уменьшается и происходит сжатие воздуха (зона 19). В зоне 20 рабочего хода из камеры 14 через форсунку 15 в сжатый воздух подается топливо, которое самовоспламеняется при высокой степени сжатия, либо поджигается при помощи калоризатора. Давление расширяющихся газов воздействует на лопатки 8 и вращают ротор 5. Отработанные газы выходят через окна 13 в зоне 21. В дальнейшем горение поддерживается непрерывной подачей топлива через форсунку 15.

При работе двигателя лопатки 8 совершают сложное движение: возвратно-поступательное в прорезях ротора 5 и поступательное движение в кольцевом канале 10. Уплотнение рабочих камер между лопатками осуществляется кольцами 17. Ввиду того, что кольца установлены в пазах на лопатках свободно, они при движении лопаток проскальзывают по пазу, постоянно меняя свое положение, и следовательно, изнашиваются равномерно. Синусоидальная форма канала 10 обеспечивает плавность хода лопаток, что снижает их износ по сравнению с прототипом и повышает надежность работы.

Заявляемый двигатель может работать по описанному циклу на любом жидком углеводородном топливе без изменения конструкции.

В особых случаях, когда для достижения большой мощности двигателя диаметр лопатки существенно увеличивают, он может приближаться к критической величине. Чтобы этого избежать в крышках выполняют несколько концентрических каналов, а в роторе - несколько концентрических рядов прорезей с соответственным количеством установленных в них лопаток меньшего диаметра.

Изобретение найдет промышленное применение в автомобилестроении, в авиастроении и может быть использовано в переносных энергоустановках.

Реферат

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а именно к роторным двигателям. Техническая задача, решаемая изобретением: повышение надежности работы конструкции, в частности снижение износа уплотнений лопаток. Двигатель включает крышки, между которыми установлен на оси ротор, в направляющих прорезях которого установлены лопатки. Лопатка имеет форму уплощенного цилиндра, а на ее боковой поверхности выполнены два тангенциальных паза, расположенные диаметрально противоположно. Крышки со стороны, обращенной к ротору, имеют кольцевые выемки, образующие кольцевой канал для прохождения рабочего тела, разделенный ротором. Кольцевой канал имеет в сечении, проходящем через ось, форму окружности с диаметром, соответствующим диаметру лопатки. Канал волнообразно изгибается по синусоиде симметрично относительно среднего сечения ротора, перпендикулярного оси. В крышках имеются окна для впуска воздуха и выпуска отработанных газов. В теле каждой крышки имеются соединенные с каналом камеры, в которых размещены топливные форсунки, а при необходимости калоризаторы. Уплотнительные кольца свободно установлены в пазах лопаток, выполненных на боковой поверхности их дисковых участков. 4 ил.

Формула