Роторно-поршневий двигун

Реферат: Винахід належить до роторно-поршневих двигунів з високим ступенем універсальності застосування. Роторно-поршневий двигун містить корпус-статор з каналами впуску та випуску робочого середовища, у середині якого укладена циліндрична порожнина, поверхня якої утворює разом з плоскими поверхнями двох бічних кришок робочий простір У робочому просторі ротор-поршень ексцентрично закріплений на привідному валу, що встановлений на підшипниках, закріплених у бічних кришках, утворюючи при взаємодії його герметизаторів із поверхнею циліндричної порожнини три роз'єднані робочі камери послідовно-змінного об'єму. Кожна протилежно-розташована робоча камера мінімального об'єму має канали для впуску і випуску відповідного робочого середовища оборотного гідравлічного, пневматичного, парового або газових двигунів дворазової дії, або для розміщення відповідних функціональних елементів двигунів внутрішнього та зовнішнього згоряння. Циліндрична зубчаста порожнина, профільована по овалу або еліпсоїді та епітрохоїді, взаємодіє з циліндричним зубчастим ротором-поршнем, ексцентрично-закріпленим на привідному валу, за допомогою трьох рівновіддалених один від одного планетарно-рухомих по овальній або епітрохоїдній та еліпсоїдній, відповідно, траєкторії герметизуючих зубчастих коліс-сателітів. При цьому утворюється три роз'єднані робочі камери послідовно-змінного об'єму, з забезпеченням UA 113562 C2 (12) UA 113562 C2 жорсткого зв'язку кінематичного ланцюга, зуби рухливих пар якого є турбінними лопатками. Самі турбінні лопатки виконують функцію поршнів з герметизацією взаємодіючих радіальних зубчастих поверхонь в місці їх контакту, а також торцевих сполучень з бічними кришками корпуса-статора за допомогою торцевих підпружинених компресійних багатопроменевих кілець, промені яких розташовані в радіальних пазах зубів, а самі кільця - в окружних пазах їх основ. UA 113562 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до машинобудування, зокрема до роторно-поршневих двигунів з високим ступенем універсальності застосування, так як може бути використаним як одно- і багатороторні двигуни внутрішнього і зовнішнього згоряння, а також оборотні гідравлічні, пневматичні, парові та газові двигуни дворазової дії. Відомі роторно-поршневі двигуни, що працюють на принципі дії двигуна Ванкеля /1/, основною проблемою при створенні яких є герметизація робочих камер, тому що саме надійність ущільнення зазорів визначає їх працездатність. У цих двигунах функцію поршня виконує вільнообертовий на ексцентрику привідного вала тривершинний ротор-поршень, вершини якого, стикаючись із внутрішньою епітрохоїдою поверхнею нерухливого корпусастатора, утворюють три роз'єднані робочі камери змінного об'єму. Необхідна синхронізація відносного руху ротора-поршня і ексцентрикового привідного вала при утворенні робочих камер здійснюється зубчастою передачею внутрішнього зачеплення, причому більше колесо її жорстко закріплене на роторі-поршні, а менше - нерухливе - на торцевій кришці корпусустатора. Передатне відношення зубчастих коліс становить 2/3, тому за один оберт ексцентрикового привідного вала ротор-поршень повертається на 120 градусів, а за повний оберт ротора-поршня в кожній з робочих камер відбувається повний чотиритактний цикл. Газообмін регулюється вершиною ротора-поршня при проходженні через впускний і випускний канали. Герметизація робочих камер забезпечується радіальними й торцевими ущільнювальними пластинам. Крутний момент створюється в результаті дії газових сил через ротор-поршень на ексцентрик привідного вала. Однак, ці двигуни при безсумнівних перевагах, широкого впровадження в серійне виробництво не одержали через недосконалість конструкції системи герметизації тривершинного ротора-поршня, особливо його вершин, ступінь герметизації яких недостатньо висока через застосування ущільнюючих елементів ковзання (пластин), у яких низькі показники надійності й довговічності при ковзанні на високих швидкостях під постійно змінними кутами по складній епітрохоїдній поверхні корпуса-статора, крім того, двигун для утворення робочих камер оснащений спеціальнім шестеренним синхронізуючим механізмом, що ускладнює його конструкцію і обмежує діаметр ексцентрикового привідного вала, а також розміри ротора-поршня. Відомий подібного типу роторно-поршневий двигун /2/, у якому для радіальної герметизації робочих камер у циліндричних пазах вершин тривершинного ротора-поршня розміщені роликові ущільнювальні елементи, які перекочуються по ущільнювальній епітрохоїдній поверхні корпусастатора і сковзають по опорній поверхні пазів у результаті взаємодії синхронізуючих зубчастих коліс, закріплених по краях роликів, і зубчастого вінця епітрохоїдної поверхні. На жаль, при гаданій безсумнівній вигоді використовувати такого типу котні ущільнення, як видно, не вдасться, тому що оберти роликів непорівнянні з обертами ротора-поршня, багаторазово перевищуючи їх, а перекочуючись одним боком і сковзаючи іншим на таких швидкостях, ролики швидко деформуються і вийдуть із ладу. Відомий роторний насос /3/, виконаний по типу зубчастої планетарної передачі, трохоїда якої є нерухливим, а ексцентрик привідного вала - рухливим центральними зубчастими колесами, чотири ж зубчасті колеса, розміщені з певним кроком між ними, служать сателітами, які при перекочуванні утворюють робочі камери послідовно-змінного об'єму в трохоїдній порожнині корпуса насоса, здійснюючи при цьому усмоктування і нагнітання рідини через відповідні канали. Хоча даний пристрій має інше конструктивне виконання, ніж пропонований винахід, але він підтверджує працездатність планетарної передачі при утворенні робочих камер послідовно-змінного об'єму в трохоїдній порожнині корпуса без спеціального синхронізуючого механізму. Найбільш близькою по технічному розв'язанню до пропонованої конструкції двигуна є роторно-поршневий двигун з відомим принципом дії двигуна Ванкеля, створений по типу планетарної передачі /4/. У цьому двигуні бігун (ротор-поршень), вільнообертовий на ексцентрику привідного вала, має циліндричну зубчасту поверхню з трьома рівновіддаленими один від одного на ній зубчастими колесами, які при обертанні бігуна перекочуються між його зубчастій поверхні і ущільнюючій зубчастій епітрохоїдній поверхні статора, утворює при цьому три роз'єднанні робочі камери змінного об'єму з надійною радіальною герметизацією їх. Необхідна при цьому синхронізація відносного руху бігуна досягається шестеренним синхронізуючим механізмом. Недоліком даної конструкції двигуна є складність і громіздкість її через наявність бігуна та спеціального шестеренного синхронізуючого механізму, ускладнюючого конструкцію і обмежуючого діаметр ексцентрикового приводного вала, а також ненадійність системи герметизації зазорів торцевих поверхонь робочих камер. 1 UA 113562 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Задачею цього винаходу є вдосконалення конструкції роторно-поршневого двигуна, при забезпеченні надійної герметизації поверхонь його робочих камер та розширенні ступеня універсальності його застосування. Поставлена задача вирішується тим, що роторно-поршневий двигун містить корпус-статор з каналами впуску й випуску робочого середовища в кожній протилежно розташованій робочій камері мінімального об'єму, усередині якого укладена циліндрична зубчаста порожнина, поверхня якої (залежно від вимоги до величини ступеня стискання робочого середовища в робочій камері мінімального об'єму, та спроможності технології її виготовлення) має овальний або еліпсоїдний та епітрохоїдний профіль, утворююча разом з плоскими поверхнями двох бічних кришок робочий простір, у якому виконує обертальний рух циліндричний зубчастий ротор-поршень ексцентрично-закріплений на привідному валу, встановленого на підшипниках, закріплених у бічних кришках, і взаємодіє при цьому з її зубчастою поверхнею за допомогою трьох рівновіддалених один від одного планетарно-рухомих по овальній або еліпсоїдній та епітрохоїдній, відповідно, траєкторії герметизуючих зубчастих коліс-сателітів, утворюючи таким чином три роз'єднані робочі камери послідовно змінного об'єму, з забезпеченням жорсткого зв'язку кінематичного ланцюга, зуби рухливих пар якого є турбінними лопатками, а самі вони виконують функцію поршнів з забезпеченням надійної герметизації взаємодіючих радіальних зубчастих поверхонь в місці їх контакту. Герметизація сполучень торцевих поверхонь зубчастих герметизуючих коліс-сателітів і ротора-поршня з поверхнями бічних кришок корпуса-статора відбувається за допомогою торцевих підпружинених компресійних багатопроменевих кілець, промені яких розташовані в радіальних пазах зубів, а самі кільця - в окружних пазах їх основ. В кожній протилежно-розташованих робочих камерах мінімального об'єму корпуса-статора виконані по два канали з центральним або бічним розміщенням, які служать для впуску і випуску робочого середовища для здійснення робочих циклів в камерах максимального об'єму двигуна дворазової дії. Відкривання й закривання каналів здійснюється герметизуючими зубчастими колесами-сателітами при перекочуванні через їхні отвори. Ці ж канали служать і для зміни напрямку обертання привідного вала, при зміні напрямку потоку робочого середовища розподільним пристроєм. Неврівноважені відцентрові сили привідного вала при оберті врівноважуються жорстко закріпленими на ньому противагами. Відвід тепла в корпусі-статорі двигуна здійснюється як повітряно-вентиляторною системою охолодження, так і примусовою системою закритого типу при проходженні води під тиском по водяній сорочці, а з порожнини ротора-поршня тепло відводиться маслом, що циркулює від насоса через кільцевий колектор і осьові канали привідного вала у водо-масляний радіатор системи охолодження. Змащення поверхонь герметизирующих зубчастих коліс-сателітів і ротора-поршня проводиться маслом, подаваним дозувальним насосом-лубрикатором через канали в корпусістаторі на циліндричну поверхню його порожнини й торцеві поверхні бічних кришок. Теплонавантажені деталі двигуна виконуються з металу або жароміцного матеріалу. Система живлення й запуску двигуна - принципово така ж як і у всіх відповідних роторнопоршневих двигунах. При використанні роторно-поршневого двигуна як двигуна внутрішнього згоряння, в одній із протилежно-розташованих робочих камер мінімального об'єму один канал служить для впуску робочого середовища, а другий канал - для випуску відпрацьованих газів. В протилежній робочій камері мінімального об'єму - камері згоряння, для забезпечення ефективного згоряння палива обидва каналу обладнані свічками запалювання (при карбюраторному варіанті) або форсунками паливного насоса (при дизельному варіанті), а також однією і другою разом (при багатопаливному варіанті). При використанні роторно-поршневого двигуна як двигуна зовнішнього згоряння як з об'ємним /5/, так і з клапанним /6/ управлінням потоку робочого середовища два двигуни спарюють загальним привідним валом, а робочі камери їх оснащують відповідними функціональними елементами двигуна зовнішнього згоряння, при цьому один двигун виконує функцію блока стиску, а інший - блока розширення, які складаються із трьох окремих камер змінного об'єму, а, отже, трьох окремих систем, у кожній з яких здійснюється два повні робочі циклу Стірлінга за один оберт привідного вала. При використані роторно-поршневого двигуна як оборотного (працюючого як в режимі двигуна, так і насоса) гідравлічного, пневматичного, парового та газового двигунів дворазової дії (в якому два робочих цикли здійснюються за один оберт привідного вала) робоче середовище (рідина, повітря, пар, газ та ін.) під тиском подається в канали впуску для здійснення робочих 2 UA 113562 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 циклів в робочих камерах максимального об'єму з метою утворення крутного моменту, з наступним виходом відпрацьованого робочого середовища через канали випуску. На фіг. 1, 2 показаний роторно-поршневий двигун, який містить корпус-статор 1, усередині якого укладена циліндрична порожнина 2, профільована відповідним профілем (овалом, еліпсом або епітрохоїдою). У бічних кришках 3, 4 корпуса-статора 1 на підшипниках 5 встановлений привідний вал 6 з ексцентрично-закріпленим на ньому циліндричним зубчастим ротором-поршнем 7, взаємодія якого з зубчастою поверхнею циліндричної порожнини 2 виконується за допомогою трьох рівновіддалених один від одного герметизуючих зубчастих коліс-сателітів 9-11, що утворюють при планетарному русі три роз'єднані робочі камери послідовно-змінного об'єму 12-14. Циліндрична поверхня порожнини 2, ротора-поршня 7, бічні кришки 3, 4 та герметизуючі зубчасті колеса-сателіти 9, 10 обмежують першу робочу камеру 12, тоді як колеса-сателіти 10, 11 обмежують другу робочу камеру 13, а колеса-сателіти 11, 9 третю робочу камеру 14. Герметизація сполучень поверхонь зубчастих герметизуючих коліс-сателітів 9-11 і роторапоршня 7 з поверхнями бічних кришок 3, 4 корпуса-статора 1 виконана торцевими підпружиненими компресійними багатопроменевими кільцями 15, 16 промені яких розташовані в радіальних торцевих пазах зубів 17, 18, а самі кільця - в окружних торцевих пазах 19, 20 основ цих зубів. Лінія взаємодії зубів при утворенні робочих камер 12-14 разом з торцевими підпружиненими компресійними багатопроменевими кільцями 15, 16 коліс-сателітів 9-11 і ротора-поршня 7 надійно ізолюють у будь який момент часу робочу камеру високого тиску від робочих камер низького тиску. В протилежно-розташованих робочих камерах мінімального об'єму розміщені канали 21 і 22, які служать для впуску відповідного робочого середовища, а канали 23 і 24 - для випуску відпрацьованого середовища при роботі двигуна як оборотного двигуна дворазової дії. Відкривання і закривання каналів здійснюється герметизуючими зубчастими колесамисателітами 9-11, при перекочуванні через їхні отвори. Ці ж канали служать і для зміни напрямку обертання привідного вала 6, при зміні напрямку потоку робочого середовища в них розподільним пристроєм (не показаний). Виникаючі при обертанні привідного вала 6 неврівноважені відцентрові сили врівноважуються, жорстко закріпленими на ньому противагами 25 і 26. Відвід тепла в корпусі-статорі 1 здійснюється повітряно-вентиляторною системою або примусовою системою охолодження закритого типу, при проходженні води під тиском по водяній сорочці 27. Відвід тепла з порожнини 28 ексцентрика 7 привідного вала 6 здійснюється маслом, що циркулює під тиском від насоса через кільцевий колектор (не показаний) і осьові канали 29 привідного вала 6 у водо-масляний радіатор системи охолодження двигуна. Змащення герметизирующих роликів-сателітів 9-11 здійснюється маслом, подаваємим дозувальним насосом-лубрикатором на циліндричну порожнину 2 через канали в корпусістаторі 1 і бічних кришках 3,4. Теплонавантажені деталі двигуна виконуються з металу або жароміцного матеріалу. Система живлення й запуску - принципово такі ж як і у всіх відповідних роторно-поршневих двигунах. На фіг. 3 показаний роторно-поршневий двигун, використаний як двигун внутрішнього згоряння, для здійснення робочого процесу якого в робочій камері мінімального об'єму канал 21 служить для впуску робочого середовища, а канал 24 - для випуску відпрацьованих газів. В протилежній робочій камері - камері згоряння 32 канали 22 і 23 обладнані свічками запалювання 30 (при карбюраторному варіанті) або форсунками паливного насоса 31 (при дизельному варіанті), а також однією і другою разом - 30, 31 (при багатопаливному варіанті). На фіг. 4 показаний роторно-поршневий двигун, використаний як двигун зовнішнього згоряння з об'ємним управлінням робочого середовища, у кінематичній схемі якого двигуни 33, 34, з загальним привідним валом 35 розташовані в загальному корпусі 36. Вихідні патрубки 37 з'єднані послідовно через нагрівач 38, регенератор 39 і холодильник 40 таким чином, що двигун може працювати по циклу двигуна Стірлінга подвійної дії. Один із двигунів являє собою блок розширення, а інший - блок стиску. Кожний блок складається із трьох окремих робочих камер, у кожній з яких за один оберт привідного вала 35 здійснюється два процеси стиску й розширення. Таким чином, комбінація з таких двох двигунів 33, 34 приводить до трьох окремих системам, у кожній з яких здійснюється два повні робочі цикли Стірлінга за один оберт привідного вала 35. Пропоновані конструкції роторно-поршневих двигунів виконані як модульними, так і монокорпусними багатороторними двигунами, у яких ротори зміщені по фазі відносно один одного для врівноважування відцентрових сил. 3 UA 113562 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Роторно-поршневий двигун, працюючий як внутрішнього згоряння виконує робочий процес наступним чином (фіг. 3). Під дією тиску газів, утворених при згорянні палива в камері згоряння 23, ротор-поршень 7 діє на привідний вал 6, при обертанні якого за годинниковою стрілкою обсяги робочих камер 12-14 перетерплюють періодичні, зміщені на 120 градусів по фазі, зміни. У цих камерах протікають процеси впуску, стиску й запалення, розширення й випуску робочого середовища. Відкривання й закривання впускного 21 і випускного 23 каналів здійснюється герметизуючими зубчастими колесами-сателітами 9-11, при перекочуванні через їхні отвори. При здійсненні чотиритактного робочого циклу в одній з робочих камер 12 двигуна (фіг. 3), у міру повороту привідного вала 6 у правій частині корпуса-статора 1 (положення І-ІІ) відбувається усмоктування й стиск паливної суміші або повітря (при дизельному варіанті). Потім при наступному переході її в нижню частину його (положення III), об'єм робочої камери 12 досягає мінімуму й стиснута робоча суміш у камері згоряння 32 запалюється іскрою свічки запалювання 30, а при дизельному варіанті паливо згоряє в гарячому стисненому повітрі при вприскуванні його паливним насосом через форсунку 31. Виникаюча при цьому результуюча сила розширювальних газів, створює крутний момент (робочий хід) шляхом впливу на зубчасту поверхню герметизуючих коліс-сателітів 9-11 і ротора-поршня 7, зуби яких є турбінними лопатками, а самі вони виконують функцію поршнів, що роблять перехід робочої камери 12 у ліву частину корпуса-статора 1 (положення IV). При переході робочої камери 12 у верхню частину корпуса-статора 1 (положення І) відбувається випуск відпрацьованих газів через випускний канал 24 і в такий спосіб чотиритактний цикл у робочій камері 12 буде завершений і привідний вал 6 зробить повний оберт. Одночасно із цим аналогічно протікають чотиритактні цикли в робочих камерах 13, 14, забезпечуючи безперервне обертання привідного вала 6. Принцип дії роторно-поршневого двигуна, працюючого як двигун зовнішнього згоряння з об'ємним регулюванням робочого середовища, аналогічний принципу дії двигуна Ванкеля в цьому режимі /5/. Один із спарених загальним привідним валом 35 роторно-поршневих двигунів 33 і 34 є блоком розширення, а другий - блоком стиску, вихідні патрубки яких 37 забезпечують відповідний рух робочого середовища через нагрівач 38, регенератор 39 і холодильник 40 таким чином, що за один оберт привідного вала здійснюється два повні цикли Стірлінга, принцип дії якого широко відомий. Робота роторно-поршневого двигуна як оборотного гідравлічного, пневматичного, парового та газового двигунів дворазової дії (фіг. 1) здійснюється подачею робочого середовища під тиском у канали впуску 21 і 22, при дії якого на зубчату поверхню ротора-поршня 7 і коліссателітів 9-11 утворюється крутний момент привідного вала 6, при цьому об'єми робочих камер 12, 14 зазнають періодичні зміни робочих циклів дворазової дії, після завершення яких відпрацьоване середовище направляється в канали випуску 23 і 24. Принцип дії роторно-поршневого двигуна перевірено на моделі двигуна. Джерела інформації: прийняті до уваги при складанні опису: 1. Бениович B.C. и др. Роторно-поршневые двигатели. - М.: Машиностроение, 1968. - 237 с. 2. Німецький патент ДЕ-OS 14 51 745. 3. Патент США 1 087 735. 4. Німецький патент ДЕ-196 21 051 А1. 5. Уокер Г. Двигатели Стирлинга. - М.: Машиностроение, 1985. - 407 с. 6. Мышинский Е.Л., Рыжков-Дудонов М.А. Судновые поршневые двигатели внешнего сгорания. - Л.: Судностроительство, 1976. 75 с. 45 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 60 1. Роторно-поршневий двигун, що містить корпус-статор з каналами впуску та випуску робочого середовища, усередині якого укладена циліндрична порожнина, поверхня якої утворює разом з плоскими поверхнями двох бічних кришок робочий простір, у якому ротор-поршень ексцентрично закріплений на привідному валу, що встановлений на підшипниках, закріплених у бічних кришках, утворюючи при взаємодії його герметизаторів із поверхнею циліндричної порожнини три роз'єднані робочі камери послідовно-змінного об'єму, який відрізняється тим, що кожна протилежно-розташована робоча камера мінімального об'єму має канали для впуску і випуску відповідного робочого середовища оборотного гідравлічного, пневматичного, парового або газових двигунів дворазової дії, або для розміщення відповідних функціональних елементів двигунів внутрішнього та зовнішнього згоряння, а циліндрична зубчаста порожнина, профільована по овалу або еліпсоїді та епітрохоїді, взаємодіє з циліндричним зубчастим ротором-поршнем, ексцентрично закріпленим на привідному валу, за допомогою трьох рівновіддалених один від одного планетарно-рухомих по овальній або епітрохоїдній та 4 UA 113562 C2 5 10 15 20 еліпсоїдній, відповідно, траєкторії герметизуючих зубчастих коліс-сателітів, утворюючи при цьому три роз'єднані робочі камери послідовно-змінного об'єму, з забезпеченням жорсткого зв'язку кінематичного ланцюга, зуби рухливих пар якого є турбінними лопатками, а самі вони виконують функцію поршнів з герметизацією взаємодіючих радіальних зубчастих поверхонь в місці їх контакту, а також торцевих сполучень з бічними кришками корпуса-статора за допомогою торцевих підпружинених компресійних багатопроменевих кілець, промені яких розташовані в радіальних пазах зубів, а самі кільця - в окружних пазах їх основ. 2. Двигун за п. 1, який відрізняється тим, що з метою використання його як двигуна внутрішнього згоряння в одній із протилежно-розташованих робочих камер мінімального обсягу є канал для впуску робочого середовища і канал для випуску відпрацьованих газів, а в другій обидва канали обладнані свічками запалювання (при карбюраторному варіанті), або форсунками паливного насоса (при дизельному варіанті), а також одною і другою разом. 3. Двигун за п. 1, який відрізняється тим, що з метою використання його як двигуна зовнішнього згоряння два двигуни спарюють загальним привідним валом, а робочі камери їх оснащують відповідними функціональними елементами двигуна зовнішнього згоряння, при цьому один двигун виконує функцію блока стиску, а інший - блока розширення, складених із трьох окремих камер змінного обсягу, а, отже, із трьох окремих систем, у кожній з яких здійснюється два повні робочих цикли Стірлінга за один оберт привідного вала. 4. Двигун за пп. 1-3, який відрізняється тим, що він може бути виконаним як модульним, так і монокорпусним багатороторним двигуном, ротори якого зміщені по фазі один від одного для врівноваження відцентрових сил. 5 UA 113562 C2 6 UA 113562 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 7