Ротативний двигун

Реферат: Винахід належить до двигунобудування, зокрема до роторно-поршневих двигунів внутрішнього згоряння, і може бути використаний як силова установка різних машин, зокрема для транспортних засобів. Двигун містить корпус, що складається із бічних кришок із напрямними канавками, впускними та випускними вікнами, розміщений в порожнині корпусу циліндричний ротор у вигляді дисків із прорізами. Прорізи орієнтовані радіально і мають в площині ротора дугоподібну форму. В прорізах встановлені дугоподібні вставки із робочими циліндрами і поршнями двобічної дії. Відповідно до винаходу в пропонованому двигуні між бічними кришками на периметрі встановлені пружини, а зовні кришки обіймають скоби з елементами регулювання. В дугоподібні вставки, поміщені додаткові поршні з пальцями та повзунами, які поміщені в другу напрямну канавку в бічних кришках корпусу, більша вісь другої канавки повернута на 90 градусів відносно більшої осі першої канавки. В бічних кришках корпусу влаштовані перепускні канали, які з'єднують об'єми, що прилеглі до пружин корпусу наприкінці робочого ходу із середніми об'ємами на початку фази розширення, а середні об'єми наприкінці фази стискування з'єднані з об'ємами, що прилеглі до пружин корпусу на початку фази стискування. Це дозволяє підвищити ступінь стискування в циліндрах, прилеглих до пружин корпусу та подовжити корисне розширення робочого тіла в середніх об'ємах. Все це разом підвищує питому потужність двигуна та його ККД. Охолодження поршнів зсередини крізь пальці та канали в кришках корпусу забезпечує підвищення надійності двигуна. UA 98402 C2 (12) UA 98402 C2 UA 98402 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до двигунобудування, зокрема до роторно-поршневих двигунів внутрішнього згоряння, і може бути використаний як силова установка в різних машинах, зокрема для транспортних засобів. Відомо про двигун (патент РФ № 2158375, F02B57/00, F02B53/00, 2000) [1], який містить корпус, що складається з утворюючих порожнину кільця й бічних кришок з напрямними канавками й впускними й випускними вікнами. У порожнині корпуса розміщений циліндричний ротор, на торцях якого встановлені диски із прорізами, орієнтованими радіально. Диски мають у площині обертання ротора дугоподібну форму, своєю опуклістю звернені у бік обертання ротора. Робочі циліндри у вигляді прорізів фігурного профілю й поршні поміщені в циліндри, які мають напрямні пальці, й установлені з можливістю взаємодії з напрямними канавками. У цьому двигуні поршні виконані у вигляді лопаток і встановлені з можливістю повороту в циліндрі навколо фіксуючих пальців, зафіксованих у дисках ротора. Напрямні пальці пропущені крізь дугоподібні прорізи дисків ротора з можливістю зворотнопоступального переміщення в них. Зазор між внутрішніми поверхнями бічних кришок ротора, кромок порожнин, які утворюють циліндри й поверхнею поршня перекритий ущільненнями. Відомий двигун дозволяє забезпечити надійність ущільнення робочих циліндрів. Однак, використання на пальці ролика обумовлює низький моторесурс двигуна. Обмежена кількість робочих циліндрів в роторі не дозволяє забезпечити високу питому потужність. Відомий ротативний двигун (авт. свід. СРСР № 1455007, F02B 57/00, 1989) [2], який містить корпус, що складається з кільця й бічних кришок, утворюючих порожнину. Бічні кришки мають напрямні канавки й впускні й випускні вікна. У порожнині корпуса розміщений циліндричний ротор у вигляді дисків із прорізами, у яких встановлені вставки фігурного профілю, які є робочими циліндрами й поршнями двосторонньої дії, поміщеними в циліндри. Вставки мають пальці, установлені з можливістю взаємодії з напрямними канавками. Вставки виконані циліндричними з можливістю повороту навколо своєї осі. Наявність поршнів двобічної дії дозволяє підвищити плавність перетворення поворотно-поступального руху поршнів в обертальний рух ротора за рахунок зменшення динамічних навантажень на пару "палецьканавка", що веде до деякого підвищення моторесурсу двигуна. Завдяки поршням двобічної дії збільшується потужність. Проте, так само, як і у рішенні [1], використовування на пальці ролика обумовлює низький моторесурс двигуна, відсутність ущільнень між ротором і корпусом обумовлює низький ККД. Розміщення циліндрів із поршнями в циліндричних вставках обмежує число циліндрів в роторі і створює проблеми механічного резонансу між частотою обертання ротора і власною частотою циліндрових вставок, що обмежує зростання потужності двигуна. Відомий ротативний двигун, вибраний як прототип (патент України № 76678UA, F02B 57/00, 2006) [3]. Двигун містить корпус, що складається з виконаних з металокерамічного матеріалу бічних кришок та кільця, які утворюють порожнину, в кришках виконані напрямні канавки та впускні і випускні вікна. В порожнині корпусу розміщений циліндричний ротор у вигляді дисків із прорізами. В прорізах установлені дугоподібні вставки, які є робочими циліндрами і поршнями двобічної дії, поміщеними в циліндри і забезпеченими пальцями, встановленими із можливістю взаємодії із напрямними канавками. Бічні кришки корпусу виконані із металокерамічного матеріалу, прорізи в дисках ротора орієнтовані радіально і мають в площині ротора дугоподібну форму, а на пальці поршнів установлені повзуни, і в напрямних канавках між повзунами поршнів установлені додаткові повзуни. Кільце корпусу забезпечено пристроєм регулювання зазору між ротором і бічними кришками корпусу за допомогою підвищеного тиску в ньому. Виконання бічних кришок корпусу із металокерамічного матеріалу дозволяє підвищити температуру поверхні бічних кришок в області робочого ходу поршнів без підвищення температури в інших областях і, відповідно, підвищити ККД двигуна. Виконання вставок в дисках ротора орієнтованими радіально, що мають в площині обертання ротора дугоподібну форму, своєю опуклістю, звернутою у бік обертання ротора, дозволяє знизити динамічні навантаження і збільшити моторесурс, а також збільшити число циліндрів в роторі, що веде до підвищення питомої потужності і обертального моменту, оскільки одночасно декілька поршнів здійснюють робочий хід як до центру ротора, так і від нього. Недоліком двигуна, прийнятого за прототип, є обмежена величина ККД та недостатня питома потужність, обумовлена різницею тиску робочого тіла в початковий момент горіння і у момент випуску відпрацьованих газів (зазвичай 2 25-30 кг/см ). Окрім цього, ділянки, де відбувається робочий хід поршня, розташовані несиметрично на бічних кришках корпусу, що призводить до нерівномірного їх нагріву і виникненню небажаної термічної напруги та, як наслідок, до можливого передчасного руйнування. Оскільки самою термонапруженою деталлю є поршень двобічної дії, його надійність обмежує термін роботоздатності двигуна. Кільце корпусу, в порожнині якого за допомогою спеціального пристрою створюється підвищений тиск, призначено для підтримання постійного мінімального зазору між ротором та кришками корпусу. Але таке рішення не здатне 1 UA 98402 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 забезпечувати цей зазор з великою точністю, тому що саме кільце знаходиться в щільному контакті з гарячими кришками корпусу, а зсередини двигуна на бічні кришки під час роботи і так діє сила в декілька тонн і пристрій потрібен для протидії цієї сили. В основу винаходу поставлена задача вдосконалити ротативний двигун, щоб він, в порівнянні з відомим, мав би більший ККД, питому потужність та надійність. Поставлена задача вирішується у двигуні, який містить корпус, що складається з виконаних з металокерамічного матеріалу бічних кришок, які утворюють порожнину, в кришках виконані напрямні канавки та впускні і випускні вікна. У порожнині корпуса розміщений циліндричний ротор у вигляді дисків із прорізами, які орієнтовані радіально й мають у площині обертання ротора дугоподібну форму і своєю опуклістю звернені у бік обертання ротора. У дисках встановлені вставки, які виконані дугоподібними і є робочими циліндрами, та поршні двосторонньої дії, поміщені в циліндри, які мають пальці, установлені з можливістю взаємодії з напрямними канавками, а на пальці поршнів установлені повзуни. Згідно з винаходом зовні кришки обіймають скоби з елементами регулювання. В дугоподібні вставки, які виконують роль циліндрів, поміщені додаткові поршні з пальцями та повзунами, які поміщені у другу напрямну канавку в бічних кришках корпусу. Більша вісь другої канавки повернута на 90 градусів відносно більшої осі першої канавки. Таким чином, в одному циліндрі влаштовано три робочі об'ємі, роз'єднані поршнями, які мають впускні та випускні вікна та з'єднані між собою перепускними каналами. Наприкінці фази робочого ходу об'єми, що прилеглі до пружин корпусу, з'єднані перепускними каналами із середніми об'ємами на початку фази розширення. Середні об'єми між поршнями наприкінці фази стискування з'єднані перепускними каналами з об'ємами, що прилеглі до пружин корпусу на початку фази стискування. В бічних кришках корпусу влаштовані канали до заглиблень в поверхнях повзунів, порожнин та отворів в пальцях поршнів. Порожнини пальців поршнів розділені навпіл всередині. Влаштування трьох робочих об'ємів в одному циліндрі, попереднє стискування повітря та подовження фази розширення робочого тіла забезпечує підвищення питомої потужності та ККД двигуна. Встановлення двох поршнів в одному циліндрі поліпшує кінематичну схему перетворення поворотно-поступового руху поршнів в обертальний рух ротора завдяки тому, що поршні знаходяться далі від положення нижньої мертвої точки. Середні об'єми між поршнями та швидкість їх змінення вдвічі більші, ніж в об'ємах, що прилеглі до осі ротора та пружин корпусу. Це призводить до підвищення тиску в останніх, тобто до підвищення питомої потужності. Підвищений тиск при стискуванні повітря (повітряно-паливної суміші) і робочому ході в об'ємах, прилеглих до пружин корпусу, в зрівнянні з тиском в об'ємах між поршнями, частково, а іноді і повністю, компенсує відцентрові сили, що діють на поршні, що також призводить до підвищення надійності двигуна. Охолодження поршнів зсередини через канали в кришках корпусу та порожнини пальців поршнів поліпшують температурний режим поршнів, тобто підвищує надійність двигуна. На фіг. 1 зображений поперечний переріз пропонованого двигуна (зображені тільки чотири циліндри); на фіг. 2 - фрагмент повздовжнього перерізу пропонованого двигуна. Пропонована конструкція ротативного двигуна містить корпус, що складається із бічних кришок 1, які з'єднані пружинами 2, із напрямними канавками 3 та 4 (фіг. 1) Більша вісь симетрії канавки 4 повернута відносно більшої осі канавки 3 на 90 градусів. В бічних кришках 1 виконані впускні 5, 6, 7 та випускні 8, 9, 10 вікна. Між бічними кришками корпусу поміщений циліндричний ротор у вигляді дисків 11 (фіг. 2) із прорізами 12, в яких встановлено дугоподібні вставки 13. Прорізи 12 та вставки 13 орієнтовані радіально та своєю опуклістю звернуті у бік обертання ротора. У вставки 13 поміщені поршні 14 та 15 двобічного дії, які забезпечені пальцями 16 та 17, що встановлені із можливістю взаємодії із напрямними канавками 3 та 4. На пальці 16 та 17 поршнів 14 та 15 встановлені повзуни 18 та 19. Між повзунами 18 та 19 встановлені додаткові повзуни 20. В бічних кришках корпуса виконані перепускні канали 21, 22, які з'єднують робочі об'єми між поршнями та робочі об'єми, які прилеглі до пружин корпусу. В повзунах 18 та 19 виконані заглиблення 23, а в пальцях 16 та 17 виконані отвори 24 та перегородка 25. В кришках 1 корпусу влаштовані канали 26 підводу та відводу холодоагенту. Корпус двигуна охоплюють скоби 27 з елементами регулювання 28 для підтримки зазору ротор-корпус. Пропонований двигун працює наступним чином: при обертанні ротора поршні 14 та 15 рушають поворотно-поступово назустріч один одному. При цьому в об'ємах між ними створюється стискування повітря, що надійшло через впускні 7 вікна. Наприкінці фази стискування повітря надходить через перепускний канал 21 до об'єму, що прилеглий до пружин корпусу, до якого вже надійшло свіже повітря через вікно 5. В об'ємі, що прилеглий до пружин 2 корпусу, провадиться стискування повітря від початкового тиску 5-7 кг/см до кінцевого значення 2 50-70 кг/см . Далі в цьому об'ємі здійснюється робочий хід поршня і тиск зменшується від 200 2 UA 98402 C2 2 5 10 15 2 250 кг/см до 15-20 кг/см . Наприкінці робочого ходу відпрацьовані гази потрапляють через канал 22 до об'єму між поршнями, який знаходиться на початку фази розширення, тобто відпрацьовані гази продовжують виконувати корисну роботу з догорянням із залишками повітря в середньому об'ємі до суміщення його з випускним вікном 8. Тиск газів при випуску становить 2 близько 1,5 кг/см . Далі цей об'єм суміщується із впускним вікном 7 і цикл роботи повторюється. У об'ємах, що прилеглі до осі ротора, корисна робота виконується в звичайному двотактному режимі без попереднього стискування та продовженого розширення. Пружини 2 завдають початкові до пуску двигуна зусилля для забезпечення необхідного зазору ротор-корпус, а елементи 28 стримують тиск газів зсередини двигуна при його роботі та забезпечують точне регулювання зазору корпус-ротор. В пропонованому двигуні в кожному циліндрі здійснюється шість робочих ходів поршнів за один оберт ротора два з котрих - з підвищеним тиском та з продовженим робочим циклом що підвищує питому потужність та ККД двигуна по зрівнянню з прототипом. Охолодження поршнів зсередини, підвищена точність регулювання зазору роторкорпус, поліпшення кінематичної схеми та симетричне розташування зон енергостворення підвищує надійність та ККД двигуна. Холодагент, що відпрацював при охолодженні поршнів, може бути використаний, в залежності від свого складу як при підготовці свіжої повітрянопаливної суміші, так і при догорянні газів в об'ємах між поршнями. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 1. Ротативний двигун, що має корпус, який складається з бічних кришок з напрямними канавками та впускними й випускними вікнами, розміщений в порожнині корпусу циліндричний ротор у вигляді дисків з прорізами, в яких радіально встановлені дугоподібні вставки, які є робочими циліндрами, із поршнями двобічної дії, які розташовані в циліндрах і забезпечені пальцями, встановленими із можливістю взаємодії із напрямними канавками, вставки своєю опуклістю звернені у бік обертання ротора, на пальцях поршнів встановлені повзуни і в напрямних канавках між повзунами поршнів встановлені додаткові повзуни, який відрізняється тим, що між бічними кришками корпуса по периметру встановлені пружини, а зовні кришки обіймають скоби з елементами регулювання, в дугоподібних вставках розміщені додаткові поршні з пальцями та повзунами, які поміщені в другу напрямну канавку в бічних кришках корпусу, більша вісь другої канавки повернута на 90 градусів відносно більшої осі першої канавки, з внутрішньої сторони бічних кришок корпусу розташовані перепускні канали, які з'єднують об'єми, що прилеглі до пружин корпусу наприкінці робочого ходу із середніми об'ємами на початку фази розширення, а середні об'єми наприкінці фази стискування з'єднані з об'ємами, що прилеглі до пружин корпусу на початку фази стискування. 2. Двигун за п. 1, який відрізняється тим, що повзуни поршнів мають заглиблення з внутрішньої сторони кришки корпусу та порожнину в пальцях поршнів, яка має отвори в порожнині поршня та розділена навпіл всередині поршня, а в бічних кришках влаштовані канали підводу та відводу холодоагенту. 3 UA 98402 C2 4 UA 98402 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова 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