Роторно-лопатевий опозитний двигун

1. Роторно-лопатевий опозитний двигун, що містить робочий об'єм, який обмежено зовні циліндричним корпусом циліндра (1), торцевими кришками корпусу циліндра (3) і з внутрішньої сторони порожнистим ротором (2), всередині робочий об'єм поділено лопатями (9) на міжлопатеві робочі камери, лопаті (9) обертаються співвісно відносно внутрішньої поверхні корпусу циліндра, вісь (15) обертання лопатей знаходиться в центрі кола корпусу циліндра, ротор (2) по відношенню до внутрішньої поверхні корпусу циліндра (1) встановлено ексцентрично, двигун також має систему охолодження, систему подачі палива, систему підпалювання та канал безперервного горіння (20), впускне вікно (14) та випускне вікно (13), який відрізняється тим, що кожна лопать (9) виконана у вигляді лопаті-важеля, також лопаті-важелі (9) шарнірно за допомогою осьових втулок (12) зв'язані з віссю (15), яка знаходиться у внутрішній порожнині (7) порожнистого ротора (2) і закріплена в U 2 (19) 1 3 охолодження, систему подачі палива, систему підпалювання та канал безперервного горіння, впускне та випускне вікна, (патент на винахід Російскої Федерації №2271452 С2 автор Бобров А.В. 25 .10.2001р) Недоліками цього двигуна є нездатність до достатньо глибокого розширення робочого тіла в робочій камері, як наслідок, недостатньо ефективне перетворення теплової енергії робочого тіла в механічну, тому і недостатньо високий к.к.д., ненадійність цапф лопатей, які сприймають великі інерційні навантаження при роботі двигуна, роблять ненадійним і увесь двигун. Відсутність механізму зменшення тертя при ковзанні лопатей в пазах ротора, який би діяв вздовж усього паза, поряд з відсутністю герметичності у робочій камері, яка впливає на кількісну характеристику протічок робочого тіла між лопатями і корпусом та лопатями і торцевими кришками, приводить до великих необгрунтованих енергетичних втрат, а також відсутність ефективного охолодження та змащення внутришньої частини двигуна приводить до достатньо великих втрат в процесі роботи двигуна і зниження к. к .д. Ці недоліки здебільшого долаються при застосуванні роторно-лопатевого опозитного двигуна, який має конструкцію, що надається далі. Задача, що стоїть в основі корисної моделі, це створення універсального двигуна з низькими енергетичними втратами і суттєвим збільшенням к.к.д., у якому теплова енергія робочого тіла більш повніше перетворюється в механічну завдяки глибокому розширенню робочого тіла в робочій камері у якому може бути підвищена температура протікання робочого розширення завдяки більш ефективнішим системам охолодження та змащення. Технічним результатом рішення технічної задачі є створення двигуна, що складається з циліндричного корпусу, торцевих кришок корпусу, порожнистого ротора встановленого ексцентрично відносно внутрішньої поверхні корпусу, кришок-патрубків внутрішньої порожнини ротора разом з зовнішніми кришками, в середині корпусу робочий об'єм поділено лопатями на робочі камери, які ущільнені компресійними ущільненнями лопатей і ротора, також є впускне і випускне вікна, системи охолодження, змащення, запалювання, паливна система та канал безперервного горіння, в якому робоче розширення робочого тіла можливе в двох напрямках, одне радіальне, тобто при обертанні ротора робочий об'єм створений лопатями збільшується здебільшого завдяки збільшенню відстані між ротором і стінкою корпусу циліндра, другий напрямок це збільшення робочого об'єму завдяки ще й збільшенню кута між сусідніми лопатями при обертанні ротора. Це стає можливим завдяки тому, що лопаті зв'язані шарнірно з однією ступеню свободи, віссю, між собою і кришками-патрубками внутрішньої порожнини ротора, а також завдяки тому, що лопаті проходять крізь стінки полого ротора через поворотні ролики, які шарнірно закріплені в стінках ротора і які в свою чергу мають внутрішні ролики кочення, через котрі передаються зусилля від лопатей до ротора. Фактично з'єднання ротора і лопатей є з двома ступенями свободи, тобто лопаті можуть відносно 54632 4 стінок ротора змінювати кут і водночас пересуватись лінійно, завдяки цим технічним рішенням стає можливим зміна міжлопатевого кута і, як наслідок, кутове робоче розширення камери зі здійсненням роботи. За суттю механізм, який утворюють дві лопаті, вісь лопатей і ротор з поворотними роликами при зміні міжлопатевого кута, який змінюється під дією тиску на лопаті робочого тіла, створює крутний момент у ротора. Завдяки цьому механізму стає можлива, поряд зі збільшенням площі лопатей при пересуванні лопатей лінійно відносно стінок ротора, робота лопатей, як важелів зі змінним плечем передачі зусиль ротору, причому точкою спирання є вісь обертання лопатей-важелів, а точкою передачі є ролики кочення роторного поворотного ролика шарніру, в результаті при глибокому розширенні робочого тіла низькі значення тиску робочого тіла збільшуються лопатямиважелями і стають збільшеними значеннями сили крутного моменту ротора при роботі двигуна. Велике значення для суттєвого збільшення к. к. д. має температура, при якій протікає розширення робочого об'єму, щоб була можливість підняти температуру в робочому об'ємі необхідно всі частини суміжні з робочим об'ємом інтенсивно і ефективно охолоджувати, особливо лопаті-важелі і ротор, це стає можливим завдяки порожнистій конструкції ротора, у внутрішній порожнині якого періодично переміщуються лопаті-важелі і знаходиться вісь обертання лопатей-важелів, до того ж вісь є центром кола корпусу циліндру. Отже, продуваючи крізь порожнину ротора повітрям з додаванням аерозолів із змащувальних речовин, ефективно охолоджуються ротор і лопаті-важелі, а також змащуються поверхні двигуна, що труться. .Завдяки тому, що вісь кріпиться в кришках корпусу циліндра і є доступ до вісі лопатей-важелів зовні двигуна, стає можливим ще додаткове мастильно-рідинне охолодження і змащення лопатейважелів через прокладені внутрішні канали, які йдуть крізь вісь, осьові втулки і лопаті-важелі, через них прокачується охолоджувальна і змащувальна речовина, яка ще через додаткові канали подається, (і відводиться), до компресійних ущільнень лопатей-важелів для кращого змащення при терті по внутрішній поверхні корпусу циліндра. Такі конструктивні рішення в охолоджувальній та змащувальній системах дають змогу істотно знизити внутрішнє тертя в двигуні і ефективно охолоджувати зону підвищеної температурної напруги при підвищенні температури протікання робочого розширення. Отже, запропоновані технічні рішення дають можливість істотно підняти к.к.д. роторнолопатевого опозитного двигуна, тобто завдяки таким конструктивним рішенням стають можливими технічні результати, що вирішують поставлені технічні задачі. Сутність корисної моделі графічно пояснюють креслення. На фіг. 1 зображений поперечний розріз двигуна по А-А. На фіг.2 зображений поздовжній розріз двигуна по В-В. На фіг.3.4.5.6.7.8.9.10 схематично показано роботу двигуна. 5 Роторно-лопатевий опозитний двигун складається з корпусу циліндра 1, ротора 2, кришок корпусу циліндра 3,поворотних роликових шарнірів ротора 4,форсунки вприскування палива 5, патрубків системи охолодження 6, внутрішньої порожнини ротора 7, свічки запалювання 8, лопатей (лопатей-важелів) 9, компресійного ущільнення лопатів 10, каналу системи рідинного охолодження 11, осьових втулок лопатів 12, вихлопного вікна (випускного) 13, впускного вікна (вікна продування та наповнення повітрям робочого об'єму) 14, вісі(центру) обертання лопатів 15, центру (вісі) обертання ротора 16, зовнішних кришок двигуна 17, шестерень веденого колеса 18, шестерень ротора 19, каналу безперервного горіння 20, кришок - патрубків внутрішньої порожнини ротора 21, герметизуючих ковзаючих ущільнень 22, каналів охолодження лопатів і змазки компресійних ущільнень лопатів 23, бісектриси міжлопатевого кута 24, внутрішніх роликів поворотних роликових шарнірів ротора 25, компресійних ущільнень ротора 26, пристрою подачі пара 27. Роторно-лопатевий опозитний двигун, що зображено на фіг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 удає з себе робочий об'єм, який обмежено зовні циліндричним корпусом циліндра 1 і кришками корпусу циліндра 3 і з внутрішньої сторони ротором 2. В середині робочий об'єм поділено лопатями 9 на міжлопатеві робочі об'єми (камери), кожний об'єм обмежено двома лопатями, передньою та задньою (по ходу обертання лопатів). Обертаючись в середині корпусу 1 двигуна по годинниковій стрілці кожна лопать, а їх у наданому варіанті двигуна вісім (розглянемо для прикладу восьмилопатевий опозитний роторний двигун) шарнірно за допомогою осьових втулок 12 зв'язані віссю в єдиний центр обертання лопатей. Вісь 15 проходить і через підшипник, фіксується в кришках -патрубках внутрішньої порожнини ротора 21, а також вісь 15 перетинає зовнішні кришки двигуна 17 і в місці перетину герметизується ковзаючим ущільненням. Лопаті 9 зовнішньою стороною ковзають по внутрішній поверхні корпусу циліндра 1 і через компресійне ущільнення 10 притискаються до корпусу циліндра з однаковим номінально необхідним зусиллям в усіх точках внутрішньої поверхні корпусу циліндра, це зумовлюється тим, що вісь обертання 15 лопатей знаходиться в центрі кола корпусу циліндра, та сприймає відцентрові сили які діють на лопаті, отже, обертання лопатей відбувається концентрично щодо корпусу циліндра, і переміщень лопатей в радіальному напрямі не відбувається, тобто геометрично відстані і зазори постійні і незмінні. Унаслідок такого конструктивного рішення мінімізується тертя компресійного ущільнення 10 лопатей 9 з корпусом циліндра 1, зменшуючи енергетичні втрати на тертя в двигуні, сприяючи підвищенню коефіцієнта корисної дії даного пристрою. Ротор 2 має форму полого циліндра, до нього кріпляться провідні шестерні 19, які передають зусилля шестерням ведених колес 18. Центр обертання 16 ротора 2 зміщений паралельно по відношенню до центру обертання лопатей 15. Лопаті і ротор перетинаються, вісь лопатей 15 знаходиться у внутрішній порожнині 7 ротора 2. 54632 6 Лопаті 9 проходять крізь стінки ротора 2 , через поворотні ролики 4, закріплені шарнірно в стінці ротора 2. Поворотний ролик 4 забезпечений внутрішнім роликом 25, який сприймає зусилля від лопатей і замінює тертя ковзання при переміщенні лопатей радіально щодо стінок ротора у середині поворотного роликового шарніра ротора 4 на значно менше тертя кочення. Система - поворотний роликовий шарнір 4, лопать 9, стінки ротора 2 забезпечена компресійними ущільненнями 26, що відокремлюють і герметизують внутрішній об'єм порожнини ротора 7 від робочого об'єму розширення і стискання роторного двигуна, що в свою чергу створює умови для високого тиску процесу розширення і стискання робочого тіла в двигуні. Ротор має внутрішню порожнину 7, закриту зверху і знизу кришками - патрубками 21, жорстко прикріпленними до зовнішньої кришки двигуна 17. У цій внутрішній порожнині ротора 7 переміщуються ненавантажені тиском робочих газів частини лопатей, тому при продуванні повітрям через кришку патрубок 21, з одночасним додаванням аерозолів із змащуючих речовин, охолоджуються нагріті понад норму деталі і змащуються поверхні двигуна, що труться. Охолоджування лопатей, як деталей, особливо навантажених температурно і механічно, додатково відбувається каналами 23, за допомогою прокачування мастила по цій системі каналів, що охолоджує, також проводиться подача та відвід певної кількості мастила в компресійне ущільнення на зовнішній кромці лопатей, оскільки ця частина лопаті не потрапляє в зону охолоджування і змащення у середині ротора 7. Система охолоджування і змащення лопатей включає магістральний канал 23 подачі мастила, що проходить через вісь 15 і що йде до середини осі. Осьові втулки лопатей 12 і лопаті 9 вміщують канали, і після проходження ними мастило потрапляє в магістраль відведення речовини, що охолоджує, яка починається з середини осі лопатей 15, проходить другою половиною осі і виходить назовні. Загальне охолоджування двигуна здійснюється рідинною системою охолоджування через патрубки 6 і канали 11 в корпусі циліндра. Завдяки інтенсивному охолоджуванню особливо навантажених високою температурою вузлів і деталей, стає можливим підняття температури протікання процесів робочого циклу для підвищення коефіцієнта корисної дії роторно-лопатевого опозитного двигуна. Двигун працює таким чином: схематично на фіг. 3.4.5.6.7.8.9.10 показані процеси, що протікають за один цикл роботи двигуна в одному міжлопатевому робочому об'ємі. За початок відліку узята точка найменшої відстані між колом корпусу циліндра 1 і колом ротора 2, ця точка лежить в місці перетину лінії кола корпусу циліндра і прямої, що проходить через центр обертання лопатей 15 і центр обертання ротора 16, і позначається 0° - це початок обертання лопатей. Діаметрально з протилежного боку на цій прямій розташована точка 180°, точка проходження лопатями половини обороту навколо осі 15. Починається робочий процес, коли бісектриса 24 міжлопатевого кута збігається з точкою 0°, у 7 цей момент утворюється найменший міжлопатевий кут, і найменший міжлопатевий робочий об'єм , заповнений стислим повітрям фіг. 3. При подальшому обертанні лопатей 9 (по годиннковій стрілці), відбувається уприскування палива через форсунку 5, з подальшим займанням горючої суміші свічкою запалення 8 фіг.4, починається процес робочого розширення. Отриманий при горінні робочої суміші тиск впливає на лопаті 9, примушуючи їх збільшувати кут між собою і створюючи цим додаткові сили для збільшення обертового моменту ротора 2. Процес розширення робочого міжлопатевого об'єму проходить до моменту проходження передньою лопаттю, що обмежує робочий об'єм, точки початку випуску відпрацьованих газів. Цією точкою є точка А(точка А знаходиться на лінії, що обмежує початок випускного вікна) фіг.5. Через випускне вікно 13 відбувається викид вихлопу, падіння надмірного тиску робочого тіла до атмосферного і цей процес проходить до того моменту, коли передня лопать даного робочого міжлопатевого об'єму проходить точку С на фіг. 6, точку відкриття впускного вікна 14 ( точка С знаходиться на межі, проведеній між лінією закінчення випускного вікна ІЗ і лінією початку впускного вікна 14 ). Через відкрите впускне вікно поступає повітря під тиском від нагнітача, тому під час попадання його в робочий об'єм, наповнений залишками відпрацьованих газів, відбувається продування і звільнення від вихлопу даного об'єму. Одночасно, у цей момент відбувається проходження через точку 180° бісектриси міжлопатевого кута і максимальне розширення робочого об'єму. Післе максимуму розширення обертанню лопатей супроводить симетричний, по відношенню до процесу розширення, процес зменшення кута між сусідніми лопатями і стискання робочого об'єму . Стискання об'єму сприяє, разом з відцентровими силами, звільненню від вихлопу і продуванню міжлопатевого робочого об'єму фіг.1. Процес продування закінчується в мить, коли задня лопать проходить точку С і перекриває доступ даного об'єму до вихлопного вікна фіг.В. Далі відбувається наповнення об'єму повітрям до моменту, коли задня лопать проходить точку В (точка В знаходиться на лінії закінчення впускного вікна 14) фіг.9. і перекриває доступ до впускного вікна, герметизуючи міжлопатевий робочий об'єм. Починається процес стискання повітря, що триває до моменту, коли бісектриса 24 збігається з точкою 0°, і міжлопатевий об'єм зменшується до свого мінімуму фіг.3 .Далі всі процеси періодично повторюються в кожному з восьми міжлопатевих робочих об'ємів, підтримуючи безперервну роботу роторно-лопатевого опозитного двигуна. Безперервність роботи і стабільність займання горючої суміші зумовлюється застосуванням каналу безперервного горіння 20. Канал необхідний для передачі імпульсу займання робочій камері після уприскування в неї палива форсункою 5 від попередньої робочої камери запаленою, при запуску двигуна, свічкою запалення 54632 8 8 з подальшою передачею займання міжлопатевим камерам, що йдуть слідом. В результаті здійснюється послідовний процес безперервного горіння горючої суміші в робочих камерах . Фактично канал безперервного горіння - це канал, який періодично пропускає гази, що горять, з об'єму горіння і високого тиску в об'єм з підготовленою для спалаху суміші газів і, природно, з нижчим тиском . На фіг. 10 показано пунктирною лінією розташування лопатей у момент проходження імпульсу займання через канал 20. Особливістю роторно-лопатевого опозитного двигуна є те, що лопаті, обертаючись концентрично щодо корпусу циліндра та рухаючись поступово-зворотньо відносно ротора, періодично змінюють міжлопатевий кут, завдяки чому додатково змінюється і об'єм міжлопатевих камер, тобто обертання ротора приводить до зміни міжлопатевого кута і навпаки зміна кута між сусідними лопатями приводить до обертання ротора. Таким чином, розширюючись, теплова енергія робочого тіла перетворюється на механічну значно ефективніше .В двигуні використовується механізм, що дає можливість роботу, здійснювану лопатями при розширенні (тобто при русі лопатей одна від одної або інакше опозитного руху), яке здійснюється при зміні кута між ними, перетворювати в роботу крутного моменту ротора двигуна . Ефективності повнішого перетворення теплової енергії в механічну сприяє і те, що лопаті двигуна працюють як важелі із змінним плечем передачі зусиль ротору фіг. 10. Збільшення робочого об'єму супроводиться, як відомо, зменшенням тиску робочого тіла і зменшенням сумарної сили Fл, що тисне на лопаті. Проте завдяки тому, що збільшується площа впливу сили тиску до лопатей ( лопаті 9 висуваються з роторної порожнини 7) результуюча сила Fл збільшується пропорційно збільшенню площі лопаті, і в точці 180° відбувається максимум такого збільшення. Окрім збільшення площі лопатей, діє механізм, в якому лопаті працюють, як важелі, із змінним плечем передачі зусиль сил тиску Fл до ротора 2, а точкою спирання лопатей- важелів 9 є вісь обертання лопатей 15. Тому в результаті такої конструктивної особливості двигуна, із збільшенням відношення плеча Ζ (від точки прикладання сумарного вектора Fл сил тиску на лопать до центру обертання лопатей 15) до плеча N (від центру обертання лопатей 15 до точки передачі зусиль ротору 2 від лопаті 9), сила Fл при передачі ротору збільшується пропорційно відношенню Z/N, отже, збільшується сила Fл крутного моменту ротора 2. Як слідство дій цих механізмів, є те, що при більш глибокому розширенні робочого тіла і природньо мінімальних значеннях тиску в робочій камері, сумарна сила Fл збільшується лопатямиважелями тому виходять високі значення Fл крутного моменту ротора і в результаті набуваємо високої ефективності роботи і високих значень коефіцієнта корисної дії цього роторно-лопатевого опозитного двигуна. 9 Комп’ютерна верстка І.Скворцова 54632 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601