Роторно-поршнева машина

Реферат: Роторно-поршнева машина містить корпус, не менше двох кільцеподібних циліндрів, жорстко скріплених з корпусом, кільцеподібні поршні, виконані з можливістю передачі енергії руху на ходову частину машини через систему зубчатих коліс із зовнішніми зубцями. Кільцеподібні поршні жорстко скріплені з дископодібними роторами і обертаються відносно осей, що проходять через центри відповідних кільцеподібних циліндрів у вигляді торів, які в свою чергу знаходяться в одній площині і перетинаються між собою. На валах роторів закріплені зубчаті колеса, які входять в зчеплення з центральним зубчатим колесом вала, що передає крутний момент. UA 71678 U (12) UA 71678 U UA 71678 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до машинобудування і може бути використана як двигун або насос, у яких робочим тілом є газ або рідина. Відомий роторно-поршневий двигун Ванкеля, в якому тригранний ротор розташований в епітрохоїдній розточці корпусу, оснащений зубчатим вінцем внутрішнього зачеплення та розташований на ексцентричному валу з кінематичним зв'язком вінця ротора з нерухомою шестірнею, закріпленою на корпусі. У просторі, який обмежений епітрохоїдою, ротор здійснює планетарний рух, обертаючись навколо осі двигуна і навколо власної осі. Енергія робочих газів перетворюється у два види кінетичної енергії: енергію власного обертання ротора і енергію обертання ротора навколо своєї осі [1]. Недоліками роторно-поршневого двигуна Ванкеля є складність виготовлення механізму, а також напружений тепловий режим роботи. Оскільки герметизація камер забезпечується радіальними та торцевими ущільнюючими пластинами, що притискаються до циліндра відцентровими силами, тиском газу і стрічковими пружинами, має місце ускладнена герметизація камер двигуна. Також відома роторно-поршнева машина, що містить циліндричний корпус з порожниною та з торцевими кришками, всередині якого встановлені дві лопаті з роликами та валами, що ділять порожнину корпусу на чотири замкнутих об'єми, та ексцентрично їх осі обертання механізм зв'язку у вигляді вала з монолітною хрестовиною. Кожна лопать складається з пари сегментних накладок, двох спрофільованих дисків з порожниною у вигляді циліндричної внутрішньої частини, один з них має з зовнішньої сторони два внутрішніх сегментних виступи, в яких виконані продовгуваті отвори, що розташовані аналогічно, як і в другому диску. Через них проходить пара валів зі зміщеним шестигранним диском у сторону порожнини у вигляді циліндричної внутрішньої частини спрофільованого диска лопаті, і входить у контакт з радіальними напрямними однієї з двох паралельно розташованих та монолітно виконаних з валом хрестовин. Кріплення валів з роликами, що контактують з напрямними хрестовини механізму зв'язку, здійснюється установкою останніх у продовгуватих отворах у лопатях [2]. Недоліком такої машини є коливальний характер руху валів, що обумовлює чергування режимів розгону та гальмування. Це зумовлює падіння робочого тиску і нерівномірність крутного моменту протягом робочого циклу, що значно знижує ККД машини. Також недоліком роторно-поршневої машини є складний механізм зв'язку зі зміщеним шестигранним диском у сторону порожнини у вигляді циліндричної внутрішньої частини спрофільованого диска лопаті, що призводить до нерівномірності навантажень на вал та, як наслідок, зниження міцності вала, що передає крутний момент. Складність механізму зв'язку також призводить до погіршення масогабаритних характеристик машини. Найближчим аналогом є кільцевий двигун внутрішнього згоряння, який містить корпус, не менше двох кільцеподібних циліндрів, які розташовані по колу на однаковій відстані один від одного, та кільцеподібні поршні зі штоками. Циліндри жорстко скріплені з корпусом та у основи мають торцеві затвори, кільцеподібні поршні жорстко зв'язані з нижніми кінцями кільцеподібних штоків, штоки оснащені напрямними, причому на робочих поверхнях штоків і поршнів (на поверхнях, які направлені до кола) виконані пази для забезпечення зубчатої передачі. Встановлення поршнів виконане з можливістю безперервного поступального руху поршнів зі штоками по колу в одному напрямі та з можливістю передачі енергії руху на ходову частину машини через систему зубчатих коліс з зовнішніми зубцями: малих, розташованих у проміжках між циліндрами, та великого, розташованого у центрі двигуна, шляхом зачеплення зубців малих зубчатих коліс з пазами, які знаходяться на внутрішній стороні поршнів та штоків. Встановлення штоків виконане таким чином, щоб їх внутрішня (зубчата) поверхня не доторкалась до внутрішньої поверхні циліндрів [3]. На робочих поверхнях штоків і поршнів кільцевого двигуна виконані пази, що є концентраторами локальних механічних напруг та додатковим джерелом втрати енергії на тертя. Даний механізм має недостатню механічну міцність і жорсткість, оскільки штоки оснащені напрямними і між циліндрами є проміжки, де напрямні не постійно входять у зачеплення з зубчатими колесами, що може викликати перекіс поршня та заклинювання двигуна. Перекоси поршнів також призводять до появи бокового тертя поршнів по стінках циліндрів, що знижує ефективність роботи і ККД двигуна. Також недоліком вищезгаданого механізму є складність конструкції і як наслідок незадовільні масогабаритні показники. Також недоліком цієї машини є необхідність у наявності пазів на внутрішніх поверхнях поршнів та штоків, які є робочими поверхнями, а також торцевих затворів на основах циліндрів, що значно ускладнює герметизацію робочого каналу циліндрів. Відсутня можливість реверсування напрямку руху. 1 UA 71678 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В основу створення даної корисної моделі поставлена задача спрощення конструкції роторно-поршневої машини, покращення масогабаритних показників з одночасним виключенням бокового тертя поршнів по стінкам циліндрів, і як результат - збільшення ККД машини, перетворення енергії робочого тіла в механічну роботу або механічної роботи в енергію потоку робочого тіла з мінімальною кількістю проміжних передач, в якій один і той самий конструктивний елемент одночасно виконує кілька функцій (як силового елемента так і затвору), підвищення рівномірність швидкості обертання вихідного вала, покращення герметизації і тепловідводу, введення можливості реверсування напрямку руху вала, що передає крутний момент. Вказаний технічний результат для даної конструкції, за допомогою якого вирішується поставлена задача досягається тим, що роторно-поршнева машина містить корпус, не менше двох кільцеподібних циліндрів, жорстко скріплених з корпусом, кільцеподібні поршні з можливістю передачі енергії руху на ходову частину машини через систему зубчатих коліс з зовнішніми зубцями. Кільцеподібні поршні жорстко скріплені з дископодібними роторами і обертаються відносно осей, що проходять через центри відповідних кільцеподібних циліндрів у вигляді торів, які в свою чергу знаходяться в одній площині і перетинаються між собою. На валах роторів закріплені зубчаті колеса, що входять в зчеплення з центральним зубчатим колесом вала, що передає крутний момент. Причому, два (або більше) зубчатих колеса одного діаметра, закріплені на валах, не взаємодіють одне з одним, а третє (центральне) зубчате колесо є проміжним між ними. Особливістю даної машини є те, що: - машина має кращі масогабаритні показники, оскільки має мінімальну кількість проміжних передач, а саме: енергія робочого тіла діє на поршні, які обертають дископодібні ротори на валах, через які робоче зусилля передається на зубчаті колеса однакового діаметра, з яких, в свою чергу, зусилля передається на центральне зубчате колесо, закріплене на, що передає крутний момент; - машина дозволяє значно знизити нерівномірність швидкості обертання вала, що передає крутний момент, та знизити вібрації за рахунок чисто обертового руху пар поршнів та сумарної їх дії на вихідний вал; - відсутнє бокове тертя поршнів по стінках циліндрів, оскільки поршні жорстко закріплені на дископодібних роторах, які в свою чергу, посаджені на вали, тобто під дією силових навантажень не відбувається перекіс поршнів, таким чином, збільшуються ККД машини та зменшується зношування механізму; - більша механічна міцність у порівнянні із прототипом, забезпечується відсутністю пазів на робочих поверхнях; - машина має вдвічі більший крутний момент у порівнянні з турбопоршневим двигуном [2], вибраним як аналог, при тих самих габаритах, що досягається наявністю не менше двох робочих поршнів, за рахунок чого збільшується площа, на яку може натискати робоче тіло; - за один такт робочого ходу поршень повертається на робочий кут не менше 62° (для двоциліндрової машини), за рахунок чого досягається рівномірність розподілу рушійних зусиль робочого ходу машини. - поршні одночасно і поперемінно виконують як функції силового елемента, так і функції затвора; - поліпшення герметичності та тепловідводу забезпечується відсутністю пазів на робочих поверхнях поршнів та їх рознесеним просторовим положенням в складі машини; - є можливість реверсування напрямку руху вала, що передає крутний момент, за допомогою комутації подачі робочого тіла, а саме подачі робочого тіла по каналу випуску робочого тіла, і випуску відпрацьованого робочого тіла по каналу подачі (при роботі в режимі двигуна). Схема повздовжнього перетину роторно-поршневої машини представлена на фігурі 1, поздовжньо-поперечного - на фіг. 2, повздовжнього по рівню ротора - на фіг. 3, поперечного - на фіг.4. Роторно-поршнева машина має корпус 1, що містить багатокамерну структуру, яка являє собою два (або більше) взаємно пересічних кільцеподібних циліндра прямокутного або круглого перерізу у вигляді торів, у яких обертаються поршні 2 і 9, які закріплені на дископодібних роторах 3, посаджених на вали 4, синхронізованих між собою за допомогою зубчатих коліс 5 одного діаметра і проміжного (центрального) зубчатого колеса 6 вала, що передає крутний момент, яке входить у зачеплення із зубчатими колесами 5. Поршні 2 і 9 мають вигляд сегмента кільця прямокутного або круглого перерізу. Дископодібні ротори 3 мають по два прорізи, виконані по дузі, симетрично, і розташовані навпроти поршнів 2 і 2 UA 71678 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 9 відповідно. Зубчаті колеса 5 одного діаметра, посаджені на вали 4, не взаємодіють одне з одним, а центральне зубчате колесо 6 є проміжним між ними, входить із кожним з них у зачеплення і посаджене на вал, що передає крутний момент. Роторно-поршнева машина має в своєму складі канали подачі робочого тіла і випуску відпрацьованого робочого тіла. В режимі двигуна через отвори 7 підходить канал подачі робочого тіла, яке поступає окремими порціями в момент, коли прорізи у дископодібних роторах 3 будуть проходити отвори 7. Отвори 8 входу каналів випуску відпрацьованого робочого тіла знаходяться асиметрично, із протилежних сторін корпусу 1 за межами робочої камери. За допомогою подачі робочого тіла по каналу випуску робочого тіла, і випуску відпрацьованого робочого тіла по каналу подачі є можливість реверсування напрямку руху вала, що передає крутний момент. В режимі насоса канал подачі робочого тіла виконує функції каналу всмоктування, а канал випуску робочого тіла - функції каналу нагнітання. До центрального зубчатого колеса 6 кріпиться зовнішній механічний або електричний привод. Роторно-поршнева машина працює наступним чином. Машина здійснює перший пасивний цикл, після якого елементи машини встановлюються у порядку, представленому на фіг. 1. У першому такті роботи машини, в початковій фазі відбувається подача робочого тіла в робочу камеру в момент, коли прорізи у дископодібних роторах 3 проходять отвори 7 і відкривають канал подачі робочого тіла. Поршні 2 зміщується по колу і обертають дископодібні ротори 3, які передають обертання зубчатим колесам 5, і, відповідно, на зубчате колесо 6 вала, що передає крутний момент. Далі, прорізи в дископодібних роторах 3 перекривають канал подачі робочого тіла, а поршні 2 доходять до отворів 8 відкривання каналів випуску відпрацьованого робочого тіла. У наступних фазах роботи машини відбувається зміна функцій одних і тих самих конструктивних елементів: поршні 2, що раніше об'єднували функції силового елементі і функції затвора, змінюється на протилежні їм поршні 9. Також відбувається примусове очищення робочої камери від відпрацьованого робочого тіла. Заключна фаза роботи машини відповідає початковій фазі з заміною робочих поршнів 2 на поршні 9. Другий такт роботи машини відбувається згідно описаних фаз, але з заміною робочих поршнів 2 на поршні 9. Під час роботи роторно-поршневої машини відбувається постійна зміна першого і другого тактів роботи машини. Таким чином, запропоноване рішення дає можливість: - з мінімальною кількістю передатних ланок перетворити потенційну енергію робочого тіла в механічну роботу або механічну роботу в енергію потоку робочого тіла. При цьому поршень виконує подвійну функцію силового елемента, і затвора, та здійснює планетарний обертовий рух під дією енергії робочого тіла; - збільшити ККД машини та зменшити зношування її елементів у порівнянні з прототипом за рахунок усунення бокового тертя поршнів по стінкам циліндрів; - отримати вдвічі більший крутний момент, у порівнянні із турбопоршневим двигуном, вибраним як аналог, при тих самих габаритах; - досягти більшу рівномірність крутного моменту машини протягом одного циклу робочого ходу; - отримати можливість реверсування напряму руху при роботі в режимі двигуна за допомогою комутації потоку подачі робочого тіла; - працювати на робочому тілі у вигляді газу або пари під тиском; - працювати з робочим тілом у вигляді рідини під тиском; - усунути складність герметизації і тепловідводу. Машина складається з декількох однотипних елементів, що дає можливість поліпшити технологічність виготовлення, підвищити ремонтопридатність і експлуатаційні характеристики. Галуззю застосування машини може бути: у техніці загального машинобудування як універсальна машина, що здатна перетворювати енергію робочого тіла в обертовий рух вала, що передає крутний момент, або обертовий рух в енергію потоку робочого тіла безпосередньо, з мінімальною кількістю проміжних передач. 1. Ханин Н.С. «Автомобильные роторно-поршневые двигатели». М., Машгиз, 1964. 2. Патент РФ № 2227210. 3. Патент РФ № 2279560. 3 UA 71678 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Роторно-поршнева машина, що містить корпус, не менше двох кільцеподібних циліндрів, жорстко скріплених з корпусом, кільцеподібні поршні, виконані з можливістю передачі енергії руху на ходову частину машини через систему зубчатих коліс із зовнішніми зубцями, яка відрізняється тим, що кільцеподібні поршні жорстко скріплені з дископодібними роторами і обертаються відносно осей, що проходять через центри відповідних кільцеподібних циліндрів у вигляді торів, які в свою чергу знаходяться в одній площині і перетинаються між собою, на валах роторів закріплені зубчаті колеса, які входять в зчеплення з центральним зубчатим колесом вала, що передає крутний момент. 4 UA 71678 U Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5