Роторно-лопатевий двигун

Реферат: Винахід належить до роторно-лопатевих машин. Роторно-лопатева машина містить дві робочі лопаті, які розміщені взаємно перехресно між собою і розміщені в торовому корпусі. Кожна лопать має співвісні вали. Співвісно валам лопатей і корпусу змонтований синхронізуючий механізм, який забезпечує лопатям обертальний рух в корпусі і коливальний рух між собою, завдяки чому відбувається чотиритактний цикл в чотирьох робочих порожнинах. Вивідний вал зв'язаний з обома валами лопатей через диференціальний механізм, що містить диференціальні шестерні, що знаходяться в зачепленні із шестернями вивідних валів лопатей. Диференціальні шестерні закріплені у вилці вивідного вала і містять двосторонні осі із роликами. Ролики обкочуються на вигинах криволінійної торцевої поверхні кулачків синхронізуючого механізму і від натиску на його скошені поверхні створюють момент на вивідному валу та коливання між собою лопатевих робочих елементів. Видовжене впускне вікно забезпечує економічну роботу двигуна по циклу Міллера. UA 113022 C2 (12) UA 113022 C2 UA 113022 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до машинобудування, зокрема до об'ємних роторно-лопатевих машин і може бути використаний як роторно-лопатеві двигуни внутрішнього і зовнішнього горіння на транспорті, наприклад в автомобілебудуванні, суднобудуванні, авіації, а також в побуті там, де нині використовуються малогабаритні поршневі двигуни, як в мототехніці, мотопилках, мотокосарках і т.п., а також як компресори розширювальних та гідравлічних машин і насосів, як машини для генерації високоенергетичного газу в реактивних системах. Широко відомі поршневі машини і двигуни, переважно чотиритактні, що містять корпус, циліндр з поршнем всередині, який має привід від колінчастого вала через шатун, систему газорозподілу у вигляді клапанів з механізмом їх приводу, систему живлення і запалювання, систему охолодження. Дані машини найбільш розповсюджені. Вони мають гарні умови для ущільнень камер стискування і для охолодження, достатньо відпрацьовану технологію виготовлення і задовільний ресурс. Але їх перетворювальний механізм настільки габаритний і незбалансований, що доводиться виготовлювати двигуни із числом циліндрів від 4 до 8, а в авіації і суднобудуванні до 14 і більше. Такий захід значно збільшує габарити, число деталей, зменшує надійність в цілому. На даний час поршневі двигуни досягли піку свого розвитку, досягли межі економічності і багато спеціалістів вважають їх морально застарілими. Відомі роторні двигуни пластинчатого і інших типів. Модифікацій цих двигунів найрізноманітніші, та практичне обмежене застосування мають лише у варіантах гідронасосів, бензонасосів короткочасної роботи, наприклад в авіації. Основною причиною є великі втрати на тертя, малий ресурс і великі складнощі із охолодженням. (Роторний двигун внутрішнього згоряння. Селезньов, Зубков і ін., Миколаївський кораблебудівний інститут. F-02 В 53/00, 25.12.1996. Бюл.4). Також широко відомі роторно-поршневі двигуни Ванкеля (сайти: "Роторний двигун", "Двигун Ванкеля", "Роторно-поршневий двигун" і т.п.), що містять корпус у вигляді епітрохоїди, трохоїдальний поршень з внутрішньою шестірнею, вал з кривошипом, на якому змонтований поршень, зовнішня нерухома шестірня, що змонтована всередині внутрішньої шестірні і поршня, система газорозподілу у вигляді впускного і випускного вікон, система запалення, система ущільнення поршня, система змащення, система охолодження. Двигун має гарні масово-габаритні показники, незначні вібрації внаслідок невеликих рухомих мас і їх невеликої амплітуди рухів, невелике число деталей, достатній діапазон робочих обертів. Останнім часом досягнуті прийнятні економічність і ресурс для багатьох варіантів використання. Але роторно-поршневі двигуни мають і суттєві недоліки, внаслідок чого не передбачається їх масове використання у найближчий час. Найсуттєвіші із них наступні: Технологія і точність виготовлення основних деталей настільки висока, що існуюче устаткування і інструменти лише небагатьох підприємств здатні на масове виробництво. Невелике спрацювання деталей приводять двигун у неробочий стан. Великою проблемою залишається ущільнення вершин поршня тому, що ущільнення має працювати поперемінно в діапазоні кутів близько 150 градусів, тобто вгорі, зліва і направо. Хоча існуючі рішення і працюють, та в них відбувається багато втрат, що відображається на економічності, стійкості роботи на малих обертах, проблемах із змащенням. Матеріали для двигуна потрібні міцні, дорогі. Світова промисловість не готова до таких вимог матеріалів і технології. Відомі і роторно-лопатеві двигуни, що містять два лопатеві елементи, які розміщені між собою схрещено і рухомо і які містять елементи газового ущільнення та два співвісні вивідні вали, корпус, в якому розміщені лопатеві елементи з можливістю кругового обертання, на якому виготовлені впускні і випускні вікна, синхронізуючий механізм, який забезпечує коливальні рухи лопатевих елементів між собою та їх спільне обертання в корпусі і відвід та підвід потужності. Ексцентрично до співвісних валів лопатевих елементів розміщений вивідний вал, на якому змонтований синхронізуючий механізм, який зв'язаний із співвісними валами системою тяг та важелів. Система живлення змонтована на корпусі та забезпечує послідовну подачу горючої суміші одним каналом у всі чотири робочі порожнини, в яких послідовно відбувається чотиритактний цикл. Система запалення забезпечує послідовне запалення всіх чотирьох робочих порожнин. Вихлопна система також послідовно забезпечує газовідвід одним каналом із всіх чотирьох робочих порожнин. Тобто системи газорозподілу та запалення працюють згідно зі способам, характерним для роторних двигунів. (Патент РФ №2135777 та сайти: Роторнолопаточний двигун Вігріянова). Теоретично тип цього роторно-лопатевого двигуна є одним із найперспективніших серед всіх типів роторних та поршневих двигунів. В ньому найменші із можливих площі стінок в робочих камерах, що зводить до мінімуму нагрів деталей та втрат тепла. Крім того, робочі процеси в камерах відбуваються без істотних притискних сил ковзання на робочих елементах, що також сприятливо для теплового режиму двигуна, робочого ресурсу та економічності. 1 UA 113022 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Сумарний робочий об'єм двигуна лише на невелику частку менше об'єму самого двигуна. Така властивість створює надзвичайно велику потужність при невеликих габаритах і високу економічність. Однак надзвичайні потенційні характеристики цього роторно-лопатевого двигуна зводяться нанівець недосконалим і громіздким синхронізуючим механізмом, з ударними навантаженнями при роботі. Інші відомі синхронізуючі механізми також дуже складні кінематично та непрацездатні для реальних умов роботи двигуна. Прототипом винаходу є роторно-лопатевий двигун за патентом РФ на корисну модель № 133202. Двигун містить корпус, переважно торової форми з двох частин, в якому розміщені два лопатеві елементи, які між собою змонтовані схрещено, кожний з яких має вал, що розміщені співвісно, важелі з роликами, синхронізуючий механізм, вивідний вал, також двигун містить системи живлення, газообміну, охолодження і інші системи і агрегати, необхідні для забезпечення роботи двигуна. Причинами, що перешкоджають одержанню очікуваного технічного результату, є наступне. Ролики важелів працюють у пазах синхронізуючого механізму. Чотиритактний цикл потребує навантажень на ролик і від важеля і від паза з обох сторін ролика, тобто за один повний цикл ролик має обертатися в різні сторони. Якщо для малих обертів це в якійсь мірі можна короткочасно допустити, то для високих обертів, характерних для двигунів, це неприйнятно із-за швидкого спрацьовування і роликів і пазу. Крім того, ролик при роботі повністю виходить із паза і заходить в нього. При цьому і підвищені оберти і найменші люфти створюють ударні навантаження, що для двигуна неприйнятно. Тобто, в цілому простий і компактний синхронізуючий механізм, не забезпечує двигун надійною роботою із потрібним ресурсом. Крім того, довжина паза обмежена радіусом диска синхронізуючого механізму і створити необхідну кривизну в пазу для взаємного достатнього кута відхилення лопатей проблематично. Це зменшує можливий робочий об'єм двигуна і його потужність. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення роторно-лопатевого двигуна, в якому, завдяки створенню нового синхронізуючого механізму із рівномірними і плавними навантаженнями на силових контактних елементах і розширення діапазонів взаємних поворотів лопатей Забезпечується працездатність і необхідний ресурс двигуну на всіх діапазонах обертів і покращуються габаритні показники, внаслідок збільшення робочого об'єму. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому роторно-лопатевому двигуні, що містить корпус, в якому розміщені два схрещені між собою лопатеві елементи з елементами ущільнення, які між собою і в корпусі змонтовані рухомо, кожен з яких має вал із взаємним співвісним розміщенням, важелі з роликами, синхронізуючий механізм, вивідний вал, також двигун містить системи живлення, газообміну, охолодження і інші системи і агрегати, необхідні для забезпечення роботи двигуна, згідно з винаходом, двигун містить корпусний елемент, розміщений співвісно корпусу двигуна і скріплений з ним, синхронізуючий механізм, розміщений співвісно валам лопатей, що містить дві шестерні, які змонтовані на співвісних валах лопатей, вивідний вал з вилкою, що змонтований в корпусному елементі співвісно валам лопатей, диференціальні шестерні, які розміщені у вилці вала рухомо і які одночасно є важелями з осями, щонайменше однією, виготовленими на шестернях радіально до осі валів, де диференціальні шестерні змонтовані із зачепленням з шестернями обох лопатевих валів одночасно, ролики, що змонтовані на радіальних осях диференціальних шестерень, кулачковий механізм скріплений з корпусами і містить криволінійну торцеву поверхню, що контактує з роликами диференціальних шестерень. Робота синхронізуючого механізму відбувається через механізми кочення, тобто з невеликими втратами на тертя, що зумовлює економічність, достатній ресурс, та менший тепловий нагрів. Ролики обкочуються по торцевій поверхні кулачкового механізму і не міняють напрямку свого обертання незалежно від напрямку прикладання сил. Це гарні умови для достатнього ресурсу синхронізуючого механізму. Зубчасте зачеплення шестерень дозволяє зміною співвідношенням зубів задати необхідний взаємний і оптимальний кут повороту лопатей двигуна. Загальна велика довжина торцевої поверхні кулачкового механізму також створює гарні умови в проектуванні необхідного кута коливань лопатей та діаграми їх руху. Тобто синхронізуючий механізм дозволяє двигуну використати найбільший із можливих робочих об'ємів. І це пряма залежність гарних масовогабаритних показників та економічності. Це також гарний фактор для використання економічного циклу продовженого розширення (циклу Міллера). 2 UA 113022 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Осі із роликами на диференціальних шестернях виготовлені по дві на кожній, кріплення кулачкового механізму може бути виготовлене підпружиненим по осі, має фіксатор від обертання, а робоча торцева поверхня кулачків виготовлена із змінними нахилами площини в обидві сторони від радіальної і з овалом від осі. Двостороннє розміщення осей з роликами на диференціальних шестірнях створює симетрію навантажень та зменшення їх величини, що знижує вібрації і значно покращують надійність та роботу всього перетворювального механізму і, відповідно, двигуна в цілому. Змінна площина торцевої поверхні циліндра перетворювального механізму необхідна для зменшення контактних навантажень між роликами та робочою зоною торця кулачкового механізму. Підпружиненість циліндра синхронізуючого механізму компенсує неточності у виготовленні робочої криволінійної поверхні, зменшує шуми при роботі, збільшує ресурс, автоматично вибираючи люфти, та згладжує коливання крутного моменту на вивідному валу. Впускне вікно виготовлене видовженим по ходу обертання ротора для пізнішого початку процесу стиснення і створення більшого ступеня розширення в порівнянні із ступенем стиснення. Видовжена форма впускного вікна затримує початок процесу стиснення. А робочий хід при цьому залишається незмінним. Тому забезпечується процес продовженого розширення, тобто повніше, з вищим ККД використовується тепло палива. Суттєво зменшується питома витрата пального. На фіг. 1 зображений основний вигляд роторно-лопатевого двигуна із розрізами по осі кінцевих частин і без розрізу синхронізуючого механізму в середній частині; На фіг. 2 зображений роторно-лопатевий двигун у розрізі А-А по синхронізуючому механізму. Роторно-лопатевий двигун містить корпус 1, в якому розміщені два схрещені між собою лопатеві елементи 2 з елементами ущільнення, які між собою і в корпусі змонтовані рухомо, кожен з яких має вал із взаємним співвісним розміщенням. Внутрішній вал 3 і зовнішній вал 4. Корпус 1 виготовлений із двох половинок, скріплених між собою периферійним кріпленням, містить отвори (щонайменше один) 5 і 6 для елементів запалювання, канали, отвори і розточки 7 для циркуляції охолоджувальної рідини, вихлопне вікно 8 (показане схематично), впускне вікно 9 (показане схематично). Двигун з'єднаний із синхронізуючим механізмом, що містить корпусний елемент 10, розміщений співвісно корпусу 1 двигуна і розміщені в ньому співвісно дві конічні шестерні 11 і 12, які змонтовані на співвісних валах 3 і 4 відповідно. Вивідний вал 13 виготовлений з вилкою 14 і змонтований в корпусному елементі 10 співвісно валам 3 і 4. Дві диференціальні шестерні 15, які розміщені у вилці рухомо на осях 16 і які одночасно є важелями з осями 17 (щонайменше однією), виготовленими на шестернях 15 радіально до осі корпусного елемента 10. Диференціальні шестерні 15 змонтовані із зачепленням із шестернями 11 і 12 обох лопатевих валів 3 і 4 одночасно. Ролики 18 змонтовані на підшипниках на радіальних осях 17 диференціальних шестерень 15 і зафіксовані від відцентрової сили по осі (механізм фіксації не показаний). Кулачковий механізм 19 зв'язаний з корпусами 1 та 10 і містить криволінійну торцеву поверхню, що контактує з роликами 18 диференціальних шестерень 15. Контактна поверхня кулачкового механізму 19 виготовлена із змінними нахилами площини в обидві сторони від радіальної і з овалом від осі у відповідності із змінами контактної поверхні роликів 18 при їх роботі. В торці кулачковий механізм підпружинений, наприклад кільцем хвилястої пружини 20, а від провертання, з можливістю осьових рухів, змонтовані фіксатори 21. В порожнину корпусного елемента 10 залито мастило, яке забезпечує роботу і охолодження всього синхронізуючого механізму. Роторно-лопатевий двигун і його механізм синхронізації працюють наступним чином. При обертанні вивідного вала 13 з його вилкою 14 рух передається диференціальним шестерням 15 через їх осі 16. Далі обертання передається через зубчасте зачеплення шестірням 11 і 12, що через вали 3 і 4 передають рух лопатевим елементам 2 двигуна. В процесі обертання валів ролики 18 котяться по кулачковій поверхні 19 і приводять в рух осі 17 вздовж валів. При цьому диференціальні шестерні 15 коливаються в осях 16 з обмеженим кутом за і проти годинникової стрілки і ці коливання через зубчасте зачеплення передається шестерням 11 і 12 і далі через вали 3 і 4 коливальні рухи надаються лопатевим елементам 2 двигуна. Тобто при обертанні валів і лопатевих елементів додаткові коливальні рухи надаються лопатевим елементам 2, що створює циклічну зміну об'єму між лопатевими елементами 2 та корпусом 1. Такі зміни робочого об'єму забезпечують роботу двигуна по чотиритактному циклу, як і у теорії з відомих аналогів і прототипу. При зворотних навантаженнях при роботі двигуна від лопатевих елементів 2 зусилля передається валами 3 і 4 через диференціальні шестерні 15 на ролики 18, які із силою 3 UA 113022 C2 5 обкочуються на схилах кулачків 19 і зусилля передається через осі 16 на вилку 14 вивідного валу 13. Таким чином створюється крутний момент на вивідному валу 13. Причому всі коливальні рухи і сили підсумовуються і усереднюються синхронізуючим механізмом і на виході із двигуна створюється відносно рівний крутний момент. Достатньо велика обертальна маса синхронізуючого механізму додатково стабілізує крутний момент, як потужний маховик. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 30 1. Роторно-лопатевий двигун містить корпус, в якому розміщені два схрещені між собою лопатеві елементи з елементами ущільнення, які між собою і в корпусі змонтовані рухомо, кожен з яких має вал із взаємним співвісним розміщенням, важелі з роликами, синхронізуючий механізм, вивідний вал, також двигун містить системи живлення, газообміну, охолодження і інші системи і агрегати, необхідні для забезпечення роботи двигуна, який відрізняється тим, що двигун містить корпусний елемент, розміщений співвісно корпусу двигуна і скріплений з ним, синхронізуючий механізм, розміщений співвісно валам лопатей, що містить дві шестерні, які змонтовані на співвісних валах лопатей, вивідний вал з вилкою, що змонтований в корпусному елементі співвісно валам лопатей, диференціальні шестерні, які розміщені у вилці вала рухомо і які одночасно є важелями з осями, щонайменше однією, виготовленими на шестернях радіально до осі валів, де диференціальні шестерні змонтовані із зачепленням з шестернями обох лопатевих валів одночасно, ролики, що змонтовані на радіальних осях диференціальних шестерень, кулачковий механізм скріплений з корпусами і містить криволінійну торцеву поверхню, що контактує з роликами диференціальних шестерень. 2. Роторно-лопатевий двигун за п. 1, який відрізняється тим, що осі із роликами на диференціальних шестернях виготовлені по дві на кожній, кріплення кулачкового механізму може бути виготовлене підпружиненим по осі, має фіксатор від обертання, а робоча торцева поверхня кулачків виготовлена із змінними нахилами площини в обидві сторони від радіальної і з овалом від осі. 3. Роторно-лопатевий двигун за п. 2, який відрізняється тим, що впускне вікно виготовлене видовженим по ходу обертання ротора для пізнішого початку процесу стиснення і створення більшого ступеня розширення в порівнянні із ступенем стиснення. 4 UA 113022 C2 5 UA 113022 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6