Радиальное уплотнение роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания, преимущественно с рабочей камерой, образованной овалом Кассини. Сущность изобретения: радиальное уплотнение роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с кольцевым цилиндром, содержащее радиальный уплотнительный элемент, подпружиненный груз, свободно установленный в радиальном пазу ротора-поршня и кинематически связанный посредством тяг с уплотнительным элементом. В грузе выполнен паз с наклонными боковыми поверхностями, сужающимися по направлению к оси вращения ротора и с прямыми участками по их концам, с которыми кинематически связаны тяги, причем уплотнительный элемент выполнен в виде радиального уплотнительного кольца, а кинематическая связь тяг и поверхности паза груза выполнена посредством роликов. 8 ил.

Изобретение относится к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания, преимущественно с рабочей камерой, образованной овалом Кассини.

Известны три способа взаимодействия радиального уплотнительного кольца и рабочей поверхности корпуса: контактные, бесконтактные и контактные с устройствами, снижающими величину сил инерции радиальных уплотнительных элементов посредством системы рычагов и грузов, противодействующих значительному увеличению сил инерции радиальных уплотнительных элементов при возрастании частоты вращения ротора.

Контактный способ взаимодействия рабочих поверхностей радиального уплотнительного кольца и корпуса обладает рядом недостатков.

Ограничение скорости скольжения ротора до 30 м/с снижает весогабаритные и удельные показатели роторно-поршневого двигателя.

Контактный характер работы радиальных уплотнений с рабочей поверхностью корпуса требует создания специальных смазывающихся материалов с учетом наличия тяжелых специфических условий работы радиальных уплотнительных элементов. При таком способе уплотнений происходит сильный износ радиальных уплотнений и соответственно снижение долговечности их работы.

Бесконтактный способ взаимодействия радиальных уплотнительных элементов и рабочей поверхности корпуса также обладает недостатками. Для таких уплотнений характерны высокая пусковая частота вращения ротора и высокий уровень частоты вращения ротора в режиме средних и номинальных нагрузок. Несмотря на высокий уровень частоты вращения ротора, имеют место значительные утечки рабочего тела, что резко снижает мощность, топливную экономичность и удельные весогабаритные показатели роторно-поршневого двигателя. Этот способ уплотнения является неперспективным также и из-за низкого коэффициента приспособляемости тяговой характеристики двигателя.

Известен механизм разгрузки радиальных уплотнительных пластин от центробежных сил для роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с трохоидальной рабочей камерой, содержащей радиальные уплотнительные кольца, контактирующие с поверхностью корпуса, и размещенный в пазу поршня груз.

Механизм содержит неравноплечие противовесы с грузами, установленные на осях, укрепленных в вершинах ротора-поршня перпендикулярно пазу уплотнительной пластины. Грузы противовесов расположены внахлест относительно один другого, смещены от продольной оси уплотнительной пластины и их суммарная толщина меньше толщины уплотнительной пластины. На поверхности уплотнительной пластины, контактирующей с грузами противовесов, выполнены выступы, смещенные к боковым поверхностям пластины.

Недостатком известного механизма является наличие постоянного контакта между радиальным уплотнительным элементом и рабочей поверхностью корпуса, что сопровождается высокими удельными давлениями по всей поверхности контакта и высокими скоростями скольжения до 28-30 м/с. В зону контакта невозможно подать смазку, так как уплотнения работают при высоких температурах. Все вышеуказанные условия работы радиальных уплотнений и рабочей поверхности корпуса усиливают их износ, снижают срок службы, т.е. долговечность их работы.

Наиболее близким техническим решением является уплотнение для поршней роторной поршневой машины с центральной осью, содержащее радиальный уплотнительный элемент, подпружиненный груз, свободно установленный в радиальном пазу ротора-поршня и кинематически связанный посредством тяг с уплотнительным элементом.

Данное уплотнение содержит механизм системы уплотнений с разгрузочным устройством. В этом устройстве грузик имеет цилиндрические канавки, в которые установлены шаровые головки рычагов. Другие концы рычагов вставлены в сферические гнезда. Рычаги имеют возможность поворота относительно осей. Во время вращения ротора грузик под действием центробежных сил перемещается от центра ротора и, захватив концы рычагов, поворачивает последние вокруг осей. При этом другие концы рычагов воздействуют на уплотнительную рамку к оси ротора. При повышении числа оборотов ротора с момента запуска и до номинальных оборотов данное уплотнение в силу заданных соотношений масс грузика и уплотнительной рамки, а также соотношения плеч рычагов относительно оси, выполняет задачу по снижению износа рабочей поверхности корпуса и уплотнительной рамки. С момента вращения центробежные силы одновременно действуют как на грузик, так и на уплотнительные рамки. Грузик не имеет свободного хода относительно рычагов и непосредственно воздействует сразу на уплотнительную рамку через рычаги при действии силы инерции на грузик. Поэтому дальнейшее увеличение оборотов ротора и соответственно увеличение сил инерции, действующих на груз, будет уменьшать результирующую силу инерции, обеспечивая постоянный гарантированный контакт уплотнительной рамки с рабочей поверхностью.

Наличие постоянного контакта между радиальным уплотнительным элементом и рабочей поверхностью корпуса сопровождается высокими удельными давлениями по всей поверхности контакта и высокими скоростями скольжения. В зону контакта невозможно подать смазку, так как уплотнения работают при высоких температурах. А все это усиливает износ рабочей поверхности корпуса и радиальных уплотнений, снижает срок службы.

Повышение долговечности радиальных уплотнительных колец и рабочей поверхности корпуса путем создания переменного контакта между ними.

Сущность изобретения достигается тем, что в радиальном уплотнении, содержащем радиальный уплотнительный элемент, подпружиненный груз, свободно установленный в радиальном пазу ротора-поршня и кинематически связанный посредством тяг с уплотнительным элементом, в грузе выполнен паз с наклонными боковыми поверхностями, сужающимися по направлению к оси вращения ротора, и с прямыми участками по их концам, с которыми кинематически связаны тяги, причем уплотнительный элемент выполнен в виде радиального уплотнительного кольца, а кинематическая связь тяг и поверхности паза груза выполнена посредством роликов.

При выходе ротора на режим средних нагрузок, т.е. при частоте вращения ротора свыше 1150 об/мин радиальное уплотнительное кольцо сжимается в направлении центра ротора и рабочая поверхность уплотнительного кольца отрывается от поверхности корпуса и удерживается в таком состоянии.

На фиг. 1 изображено устройство уплотнения рабочих камер роторного двигателя внутреннего сгорания при запуске двигателя и в режиме холостого хода и малых нагрузок; на фиг.2 - то же, при достижении ротором частоты вращения свыше 1150 об/мин; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.4 - вид по стрелке Б на фиг.3; на фиг.5 - разрез В-В на фиг. 2 на фиг.6 - разрез Г-Г на фиг.2; на фиг.7 приведена расчетная схема распределения усилий; на фиг.8 - вариант роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с рабочей камерой, образованный овалом Кассини, в поперечном разрезе.

Радиальное уплотнение содержит груз 1, размещенный в пазу 2 поршня 3 с возможностью радиального перемещения между стенками 4, снабженными продольными соосными пазами 5, в которых установлен направляющий палец 6, проходящий через груз 1, который подпружинен пружиной 7, постоянно воздействующей на него. Груз 1 выполнен из двух половин, связанных между собой винтами 8, и снабжен продольным пазом 9. Боковые поверхности 10 паза 9 выполнены наклонными под углом α ≅ 20^о, сужающимися к центру ротора 11 и с прямыми участками 12 по их концам. С боковыми поверхностями 10 паза 9 контактируют ролики 13, связанные тягами 14 с наголовниками 15, выполненными на противоположном от роликов 13 концах тяг 14. Каждая тяга 14 размещена под углом β ≅20^о. Наголовники 15 контактируют с радиальным уплотнительным кольцом 16, которое взаимодействует с рабочей поверхностью 17 корпуса 18 двигателя и с уплотнительными планками 19, расширяющими усилием пружины 20 уплотнительное кольцо 16.

Уплотнение работает следующим образом.

При запуске двигателя в режиме холостого хода и малых нагрузок радиальные уплотнительные кольца 16 взаимодействуют с рабочей поверхностью 17 корпуса 18 двигателя внутреннего сгорания. При вращении ротора 11 и достижении им частоты вращения свыше 1150 об/мин на груз 1 действует центробежная сила, по величине превосходящая начальное усилие возвратной пружины 7. Груз 1, сжимая пружину 7 начинает перемещаться в пазу 2 поршня 3 в направлении от центра ротора 11. При этом направляющий палец 6 взаимодействует с продольными пазами 5, выполненными в стенках 4, между которыми перемещается груз 1. Первоначально ролики 13 взаимодействуют с прямыми участками 12 боковых сторон 10 продольного паза 9, а затем при дальнейшем перемещении груза 1 с его наклонными боковыми поверхностями 10. В результате взаимодействия наклонных боковых поверхностей 10 паза 9 с роликами 13 последние, перемещаясь, увлекают за собой тяги 14, проходящие через отверстия в поршне 3. Благодаря этому наголовники 15, закрепленные на противоположном от роликов 13 конце тяг 14, оказывают сжимающее взаимодействие с обеих сторон на радиальное уплотнительное кольцо 16, которое прижимается в поршне 3 и выходит из контакта с рабочей поверхностью 17 корпуса 18 двигателя внутреннего сгорания, и на планки 19, преодолевая усилие пружины 20.

По мере роста числа оборотов ротора 11 и достижения им уровня номинальных оборотов, например, 2500 об/мин сжатие радиального уплотнительного кольца 16, осуществляемое за счет центробежной силы, будет устойчивым, что обеспечивает постоянную бесконтактную работу радиальных уплотнительных колец 16 в диапазоне чисел оборотов ротора 11 от 1200 до 2500 об/мин и выше.

Таким образом, работа уплотнения происходит в две стадии: первая стадия начинается с момента воздействия наголовников 15 на уплотнительное кольцо 16, когда последнее под действием тяг 14 перемещается к центру ротора 11 до упора во внутреннюю стенку канавки в точке А (фиг.2), выполненной в поршне 3. Этим заканчивается первая стадия. Вторая стадия начинается с момента начала сжатия уплотнительного кольца 16 относительно точки А (фиг.2), т.е. с момента отрыва его от рабочей поверхности 17 корпуса 18 двигателя, и заканчивается упором внутренней части кольца 16 во внутреннюю стенку канавки поршня 3. При этом преодолеваются сила упругости уплотнительного кольца 16 и сила упругости пружины 20, расширяющей через планки 19 концы кольца 16.

Указанные две стадии обеспечивают отрыв уплотнительного кольца 16 от рабочей поверхности 17 корпуса 18 двигателя по всему контуру его первоначального контакта с рабочими поверхностями 17 корпуса 18. Таким образом обеспечивается переменный контакт радиальных уплотнительных колец 16 с рабочей поверхностью 17 корпуса 18 двигателя.

Снижение времени контакта уплотнительных колец с рабочей поверхностью корпуса двигателя за счет прерывания их контакта благоприятно влияет на условия работы. Срок службы уплотнительных колец увеличивается и снижается износ рабочей поверхности корпуса, стабилизируются мощностные, экономические, удельные и весогабаритные показатели роторно-поршневого двигателя, расширяются возможности повышения уровня частоты вращения ротора за пределами скорости скольжения 30 м/с, что влечет за собой повышение мощности и удельные массогабаритные показатели.

Формула изобретения

РАДИАЛЬНОЕ УПЛОТНЕНИЕ РОТОРНО-ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащее радиальный уплотнительный элемент, подпружиненный груз, свободно установленный в радиальном пазу ротора-поршня и кинематически связанный посредством тяг с уплотнительным элементом, отличающееся тем, что в грузе выполнен паз с наклонными боковыми поверхностями, суживающимися по направлению к оси вращения ротора, и с прямыми участками по их концам, с которыми кинематически связаны тяги, причем уплотнительный элемент выполнен в виде радиального уплотнительного кольца, а кинематическая связь тяг и поверхностей паза груза выполнена посредством роликов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8