Кулачковая роторно-поршневая машина

 

Использование: в машиностроении и может быть использовано как преобразователь тепловой энергии в механическую или в качестве насоса, компрессора, расходомера или дозатора. Сущность изобретения: кулачковая роторно-поршневая машина содержит статор с каналами подвода и отвода рабочей среды и внутренними кольцевыми полостями и размещенными в них поршнями, изготовленными в виде роторов с кулачковым профилем в осевом направлении, которые жестко кинематически связаны между собой и являются геометрическими замыкателями для толкателей, выполненными в виде ряда пакетов пластин, причем каждая пластина может независимо двигаться в пакете в осевом направлении и содержит упругий демпфирующий элемент. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам роторного или роторно-поршневого типа, предназначенным для использования в качестве преобразователей тепловой энергии в механическую, а также в качестве насоса, компрессора, пневмо- или гидропривода, расходомера или дозатора.

Известна роторная машина, содержащая корпус с каналами подвода и отвода рабочей среды и цилиндрическую замкнутую полость, в которой соосно размещены насаженный на выходной вал ротор с цилиндрической радиальной поверхностью, отличающейся на малый зазор от цилиндрической поверхности полости, и двумя боковыми поверхностями, одна из которых примыкает к плоскому дну цилиндрической полости, другая является линейчатой поверхностью, образованной возвратно-поступательным движением по оси радиальной линии при одновременном равномерном вращении ротора, и разделяющую перегородку, перемещающуюся в осевой плоскости с помощью кинематической связи с ротором через зубчатую и кривошипно-шатунную передачи, опирающуюся торцовой поверхностью на профилированную поверхность ротора вдоль по ее образующей и разделяющую цилиндрическую полость на переменные рабочие объемы, [1] Положительными качества аналога являются использование фигур вращения при создании внутренних полостей статоров и линейчатых поверхностей кулачковых роторов, что значительно упрощает их изготовление, редкое использование принудительного, без возвратной пружины перемещения перегородки, что снижает контактные напряжения.

Недостатками известной роторной машины являются: малые перепады рабочего давления между соседними переменными объемами из-за невозможности создания надежного запирания объемов между собой ввиду малой надежности запирания одиночной перегородкой, имеющей только одну линию касания с поверхностью ротора, однозначность в выборе профилированной поверхности ротора, низкая производительность из-за ограничения сверху допустимого числа оборотов ротора, вызванное большой инерционностью перегородки и ее привода, высокими требованиями к точности изготовления из-за жесткости привода перегородки и, как следствие, малый срок службы, определяемый износом поверхностей.

Известна роторная машина с перегородками, в которой имеется несколько подвижных разделяющих перегородок и их постоянный прижим к боковой поверхности ротора обеспечивается пружинами, как это принято в классической схеме силового замыкания кулачкового механизма [2] Недостатками этой роторной машины являются малая надежность разделения соседних переменных объемов и малая производительность из-за инерционности разделяющих перегородок, больших контактных напряжений ввиду значительного сжатия возвратных пружин и, соответственно, значительного износа трущихся поверхностей.

Цель изобретения повышение надежности работы машины путем обеспечения надежного замыкания соседних переменных объемов роторной или роторно-поршневой машины, увеличение рабочих давлений и срока службы, уменьшение вибраций за счет осуществления статической и динамической балансировки вращающихся рабочих органов и взаимной компенсации возникающих сил и реакций, кроме момента на валу, увеличение быстродействия за счет снижения инерционности подвижных разделяющих перегородок.

Цели достигаются следующей конструкцией кулачковой роторно-поршневой машины, содержащей статор с каналами подвода и отвода рабочей среды, пазами с направляющими в осевом направлении для разделяющих перегородок и соосными кольцевыми расточками на противолежащих периферийных сторонах, по оси которых расположено сквозное отверстие с валом, на выходящих из статора частях которого жестко закреплены входящие в кольцевые расточки роторы, имеющие профилированные, обращенные друг к другу боковые поверхности, в которые упираются расположенные в пазах подвижные в осевом направлении разделяющие перегородки, причем каждая перегородка представляет собой пакет расширяющихся в радиальном направлении пластин (либо иных элементов с протяженными в направлении движения поверхностями), причем каждая из пластин обладает свободой перемещения по направляющей в осевом направлении и упирается своими рабочими торцовыми поверхностями в профилированные поверхности роторов, создавая одинаковые линии касания с ними при одинаковом взаимном угловом положении по отношению к роторам, что возможно только при осевом движении пластин, и осуществляя тем самым геометрическое замыкание кулачкового механизма, состоящего из пластин пакета в качестве толкателей и кулачковых профилей на роторах, причем каждая пластина обладает малой инерционной массой и содержит упругий элемент, обеспечивающий предварительное давление на профили роторов, демпфирование ударных нагрузок при работе, компенсацию разброса допусков при изготовлении и естественного износа трущихся поверхностей, а объединение пластин в пакет обеспечивает увеличение жесткости разделяющей перегородки и числа линий касания по числу пластин в пакете на любом участке профилей роторов, которые выполняются симметричными относительно оси вращения.

Благодаря геометрическому замыканию кулачкового механизма упругие элементы в отличие от пружин в роторной машине-прототипе не испытывают значительных деформаций, что достигается тем, что расстояние между профилями роторов в осевом направлении либо постоянно, либо постоянно с точностью до толщины пластин, и тем самым устраняют их деформацию при выходе пластин с плоского на криволинейный участок профиля, предопределяя их долговечность.

Конструкция и количество пластин в пакете определяются испытываемыми ими ускорениями при работе, рабочими давлениями и используемыми материалами и могут иметь ребра жесткости, арочный, гофрированный или иной профиль и каналы для пропуска смазки к трущимся поверхностям, если рабочее тело само не является смазкой, что обеспечивает дополнительное к линиям касания эффективное жидкостное замыкание рабочих объемов. В отличие от одиночной перегородки равной жесткости пакет пластин позволяет увеличить общую площадь касания и, тем самым, увеличить суммарную силу давления профилей роторов на такую составную перегородку и, следовательно, увеличить ускорения и скорость ее перемещения.

В свою очередь количество роторов, кольцевых расточек и разделяющих перегородок в виде пакетов пластин определено необходимым числом переменных рабочих объемов в зависимости от назначения конкретного устройства, хотя в минимуме достаточно и одного пакета для каждых двух соосных кольцевых расточек, если выступы профилей роторов сами разделяют переменные объемы, его мощностью, габаритами и уровнем вибраций.

Предлагаемое изобретение обладает следующими техническими преимуществами: увеличение надежности запирания переменных рабочих объемов роторной или роторно-поршневой машины как для жидких, так и для газообразных рабочих тел, что позволяет конструировать роторные двигатели внешнего и внутреннего сгорания, в том числе ДВС, дизели и двигатели Стирлинга, в которых отсутствуют клапанные устройства; снижение контактных напряжений между профилями роторов и перегородками и уменьшение их износа при сохранении прежних параметров подобных объемных устройств, а также при сохранении контактных напряжений на допустимом уровне заметно увеличивается быстродействие; осуществление эффективной естественной или принудительной смазки профилей роторов и подвижных перегородок через каналы между составляющими пакет пластинами; осуществление охлаждения подвижных пластин через систему охлаждения статора; конструирование различных смешанных устройств объемного типа для одновременной работы с различными рабочими телами; достижение малого уровня вибраций и разгрузки выходного вала от переменных давлений рабочих тел путем симметрирования роторов и уравнивания реакций движущихся пакетов пластин; конструирование объемных устройств, в которых рабочее тело может испытывать разную степень сжатия и расширения (не обязательно 1:1) за счет разной угловой протяженности впадин и выступов в профилях роторов;
использование при конструировании композиционных материалов путем организации безударного взаимодействия подвижных пластин и профилей роторов за счет свободы выбора требуемого закона изменения профилей роторов от угла поворота;
отсутствие в конструкциях объемных роторных устройств прохождения торцовых поверхностей разделяющих перегородок по впускным и выпускным окнам для рабочего тела (например, как это осуществлено в двигателе Ванкеля [3]).

На фиг.1а-е представлены цилиндрические развертки кулачковой роторно-поршневой машины вдоль по ее кольцевым расточкам и демонстрируют различные взаимные угловые положения роторов и пакета пластин, пластин между собой внутри пакета и преобразования переменных объемов машины.

Пример исполнения предлагаемой кулачковой роторно-поршневой машины с переменными рабочими объемами, образованными четырьмя пакетами с четырьмя пластинами в каждом и двумя роторами с одинаковыми, но развернутыми на 90^o профилями с плоскими участками на выступах и впадинах, изображен на фиг.2, на которой представлены осевое сечение роторно-поршневой машины, поперечное сечение по ее сеpедине и часть общего вида; на фиг.3 сечение А-А на фиг. 2.

Кулачковая роторно-поршневая машина содержит статор 1 с соосными кольцевыми расточками на противолежащих периферийных его сторонах. По оси расточек расположено сквозное отверстие, в котором установлен вал 2, опирающийся на закрепленные вдоль этого отверстия подшипники. На выходящих из статора 1 концах вала 2 имеются приспособления для тугой посадки двух роторов 3 и 4 (на фиг. 2 изображены шпоночные соединения 5 с фиксирующими гайками 6). Насаженные на концы вала 2 роторы 3 и 4 входят с двух сторон в кольцевые расточки так, что их боковые профилированные рабочие поверхности обращены друг к другу. Между поверхностями роторов 3, 4 и статором 1 расположены малые зазоры, позволяющие роторам 3 и 4 не касаться статора 1, но препятствующие перетеканию рабочего тела из рабочих объемов 7-10, образованных впадинами роторов 3, 4 и статором 1, разделенные между собой разделяющей перегородкой (пакетом пластин) 11. Профили рабочих поверхностей роторов 3 и 4 содержат плоские выступы и впадины, перпендикулярные оси роторов 3 и 4, и переходы между ними, выполненные по одному из выбранных законов изменения высоты профилей от угла поворота роторов 3 и 4 (линейному, синусоидальному, экспоненциальному, полиномиальному и т.п.) так, что расстояние между ними в осевом направлении либо постоянно, либо увеличено на криволинейных участках профилей на толщину пластины 11 для облегчения работы упругих элементов пластин.

Каждая из пластин 12 пакета 11 содержит упругие элементы 13 (на фиг.2 упругий элемент изображен в виде плоской пружины), не предназначенные для осуществления значительных деформаций.

По обе стороны в непосредственной близости от места расположения пакетов пластин 11 в статоре 1 имеются окна 14, 15 для соединения рабочих объемов с каналами подвода и отвода рабочего тела 16, 17, объединенные во впускные и выпускные магистрали 18 и 19. Полость 20, расположенная по середине статора 1 и соединяющая пакеты пластин 11 в местах расположения упругих элементов 13, служит в случае газообразного рабочего тела магистралью для подачи смазочной жидкости к трущимся поверхностям пластин пакетов 11, или в случае жидкого рабочего тела служит впускной или выпускной магистралью, если рабочая жидкость является и смазочной для пластин пакета 11. При повышенных рабочих давлениях для придания большей жесткости пакету пластин 11 в боковом направлении пластины могут иметь оребрение и(или) могут быть выполнены не только трапециевидными, но и арочными с выгибом в сторону большего давления, что вызывает соответствующую модификацию профилей рабочих поверхностей роторов 3 и 4 (изменение вида линии касания).

С увеличением числа пакетов 11 уменьшается пульсация рабочего тела, а если оно четное и не менее четырех, а число симметричных выступов и впадин на роторах 3 и 4 не менее двух на каждом, то достигаются лучшие условия для минимума вибраций всего устройства.

Две крышки 21, содержащие сальники 22, одеты на концы вала 2 и прикреплены к статору 1. Они предназначены для защиты рабочих поверхностей устройства от пыли, грязи и влаги и образуют совместные уплотнения для лучшего запирания рабочего тела в рабочих объемах 7-10, сбора и возврата его в рабочую зону.

К статору 1 жестко присоединены установочные элементы для крепежа всего устройства (в зависимости от его назначения лапы, фланцы и т.п.).

Функционирование кулачковой роторно-поршневой машины осуществляется следующим образом.

При своем вращении роторы 3 и 4 во взаимодействии с пакетом пластин 11 создают за счет своих профилированных рабочих поверхностей переменные рабочие объемы. Неподвижными стенками рабочих объемов являются поверхности кольцевых расточек в статоре 1, подвижными стенками впадины и переходные поверхности профилей боковых рабочих поверхностей роторов 3 и 4 и боковые поверхности пластин 12 пакетов 11.

Рассмотрим ситуацию, когда пластины 12 пакета 11 своими торцовыми поверхностями касаются впадин профиля ротора 3 и выступа профиля ротора 4, и вращение роторов 3 и 4 происходит по часовой стрелке (смотри фиг.3 верхний пакет пластин). Тогда выступ профиля ротора 3, удаляющийся от пакета пластин 11, представляет собой поршень, увеличивающий рабочий объем между собой и пакетом пластин 11, а выступ профиля ротора 3, приближающийся к пакету пластин 11, соответственно, представляет поршень, уменьшающий рабочий объем между собой и пакетом пластин 11, причем изменение этих объемов происходит пропорционально углу поворота роторов 3 и 4. Как только выступ профиля ротора 3 приблизится к пакету пластин 11 настолько, что крайняя пластина 12 из пакета пластин 11, а именно ее торцевая поверхность, вступит во взаимодействие с переходной поверхностью профиля ротора 3, тогда эта пластина начнет свое движение по направляющим в осевом направлении под воздействием возникшей силы давления со стороны переходной поверхности профиля ротора 3; в этот момент под противоположной торцовой поверхностью этой пластины начнется синхронное изменение профиля ротора 4 в сторону впадины, что и создает возможность для перемещения крайней пластины пакета 11, и, ввиду геометрического замыкания кулачкового механизма, сохраняется постоянное касание ее торцовых поверхностей и переходных поверхностей обоих роторов 3 и 4. Далее по мере поворота роторов 3 и 4 крайняя пластина пакета 11 продолжит свое движение в соответствии с законом изменения профилей роторов 3 и 4, и следующая пластина пакета 11 вступит во взаимодействие с переменными поверхностями профилей роторов 3 и 4 и тоже начнет свое движение вслед за крайней пластиной пакета 11, и возникнет коллективное движение пластин 12 пакета 11, в которое по мере вращения роторов 3 и 4 будут вовлечены все пластины 12 из пакета 11. В соответствии с выбранным законом изменения профилей роторов 3 и 4 в движении пластин 12 пакета 11 возникают поочередно стадии: трогания либо плавно, либо под ударным воздействием; ускоренного движения; равномерного движения; замедленного движения и остановки.

По окончании воздействия переходных поверхностей профилей роторов 3 и 4 на пакет пластин 11 первой тормозится и прекращает свое движение пластина 12, начавшая, соответственно, первой движение, за ней останавливаются остальные пластины пакета 11. Это приводит к качественному преобразованию рабочих объемов исчезают полностью рабочие объемы между выступом ротора 3 и статором 1 и возникают два новых рабочих объема во впадине ротора 4, дальнейшее изменение которых аналогично описанному выше. Выступ ротора 3 одновременно перекрывает впускное и выпускное окна 14, 15 вблизи пакета пластин 11 и заглушает соответствующие каналы магистралей 16 и 17. Таким образом, вблизи каждого пакета пластин 11 синхронно с вращением роторов 3 и 4 и в зависимости от направления их вращения возникают и исчезают четыре рабочих объема, специфика которых состоит в том, что два из них возникают и достигают своего наибольшего размера, после чего они уносятся впадинами роторов 3 и 4 из зоны действия пакета пластин 11, два других рабочих объема, напротив, привносятся впадинами роторов 3 и 4 в зону действия пакета пластин 11 извне, после чего они исчезают. Последнее обстоятельство позволяет путем различного соединения рабочих объемов вблизи пакетов пластин 11 через каналы подвода и отвода рабочего тела (рабочих тел) 14 и 15 с впускными и выпускными магистралями получать различные по функциональному назначению устройства, например, гидро- и пневмоприводы, двигатели, совмещенные с насосами, способные одновременно работать с несколькими рабочими телами и т.п. объемные устройства (на фиг. 2 показаны магистрали гидромашины 18 и 19). В режиме гидромашины, например, гидродвигателя, рабочее тело поступает из впускной магистрали высокого давления 19 через выпускные окна 15 в расширяющиеся объемы 7 и 9, оказывает давление на неподвижные стенки статора 1, боковую поверхность пакета пластин 11, плоскую поверхность впадин роторов и на переходную рабочую поверхность профилированных поверхностей роторов 3 и 4. Силы давления на плоские поверхности впадин роторов 3 и 4 направлены в противоположные стороны вдоль по оси их вращения и взаимно вычитаются, осевые составляющие сил давления на переходные поверхности профилей роторов 3 и 4 направлены навстречу и тоже взаимно вычитаются, так что подшипники гидромашины оказываются ненагруженными, силы давления на боковые поверхности пластин пакета 11 уравновешиваются силами реакции со стороны статора 1, и только тангенциальные составляющие сил давления на переходные поверхности профилей роторов 3 и 4 складываются и вызывают моменты сил, приложенные к роторам 3 и 4 в направлении вращения, создавая полезный механический момент на валу 2. Далее отработавшее рабочее тело впадинами роторов 3 и 4 перемещается к выпускным окнам с противоположной стороны пакетов пластин 11. Приближающимися к выпускным окнам 14 выступами роторов 3 и 4 рабочее тело сжимается и вытесняется через выпускные каналы в выпускную магистраль 18 и возвращается к гидронасосу, который может представлять собой устройство, аналогичное гидродвигателю.

Смазка трущихся поверхностей осуществляется следующим образом. В полость 20, расположенную в статоре 1 и соединяющую области расположения упругих элементов 13 пластин пакетов 11, подается смазка, откуда она, подхваченная движением пластин 12 пакета 11, переносится вдоль боковых поверхностей пластин, смазывая их и их направляющие, и поступает к торцовым поверхностям пластин 12. Тем самым смазка оказывается в зонах контактов пластин 12 пакетов 11 с профилированными рабочими поверхностями роторов 3 и 4, смазывает их и одновременно, заполняя объемы между соседними пластинами 12 пакетов 11 в этих зонах, значительно улучшает качество запирания переменных рабочих объемов. В случае необходимости количество поступающей смазки в зоны контактов пластин и профилей роторов 3 и 4 можно увеличить гравировкой сети каналов на боковых поверхностях пластин 12 пакетов 11. Если рабочее тело устройства служит и его смазочной средой, то смазочная магистраль может быть совмещена с другими магистралями (на фиг.2 смазочная магистраль является впускной или выпускной магистралью гидромашины в зависимости от направления вращения роторов 3 и 4).

Отбор или подвод мощности производится через вал 2.

При подводе механической энергии к роторам 3 и 4 при их вращении кулачковая роторно-поршневая машина будет выполнять роль насоса или компрессора, тогда в зависимости от направления вращения окна 14 и 15 окажутся под разным давлением, одно под высоким, другое под низким, а при реверсе - наоборот.

Следует отметить, что при любом режиме работы переменные объемы, возникающие вблизи пакета пластин, одновременно и по очереди выполняют строго определенные функции либо расширение, либо вытеснение.

Для изготовления предлагаемой роторно-поршневой машины не требуется специальных материалов и технологий, она может быть изготовлена на машиностроительных предприятиях, оснащенных современным станочным оборудованием и развитой технологической базой.

Формула изобретения

1. Кулачковая роторно-поршневая машина, содержащая статор с внутренними кольцевыми расточками, выполненными в виде тел вращения, размещенными в них жестко связанными роторами с поршнями на боковых сторонах, имеющими кулачковые профили, между которыми расположены упругие, разделяющие кольцевые расточки на рабочие переменные объемы, перегородки, осуществляющие геометрическое замыкание кулачкового механизма в качестве толкателей, и каналы подвода и отвода рабочей среды, отличающаяся тем, что каждая разделяющая перегородка состоит из пакета пластин, свободно перемещающихся в осевом направлении относительно друг друга, причем у каждой пластины на торцевых поверхностях совпадают линии касания с кулачковыми профилями роторов при одинаковых угловых положениях их относительно разворотов роторов и которые передают друг на друга разностное давление рабочего тела, уменьшая его перетекание между соседними переменными рабочими объемами путем совместного противодействия этому одновременным касанием всеми торцевыми поверхностями пластин пакета профилей роторов.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что каждая пластина пакета содержит упругий элемент, не препятствующий относительному по отношению друг к другу в пакете и коллективному движению пластин пакета по отношению к статору.

3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что каждая из пластин обладает малой инерционностью, необходимой для устойчивости к перепадам давления рабочего тела профилем и(или) ребрами жесткости совместно с каналами для смазывания и охлаждения трущихся поверхностей и для организации дополнительного жидкостного замыкания рабочих объемов в случае использования газообразных рабочих тел.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 27.12.2004        БИ: 36/2004