Роторный двигатель

 

Изобретение относится к роторным двигателям и предназначено для использования на транспорте. Роторный двигатель содержит роторы, объединенные в общем корпусе, имеющие впадины, лопатки двигателя и компрессора, жестко крепимые на роторах, плотно перекрывающие поперечные сечения рабочих полостей и сечения впадин, синхронизирующие шестерни, устанавливаемые на валах роторов в отдельном общем корпусе, обеспечивающие равенство угловых скоростей вращения роторов. Улучшение массогабаритных показателей двигателя и увеличение частоты вращения роторов осуществляется путем объединения компрессора и двигателя в общем корпусе, применением конической формы синхронизирующих шестерен и роторов, использования рабочих органов в качестве уплотняющих элементов. Общие для обоих роторов рабочие полости, содержащие рабочее пространство и камеру сгорания, а также сжатие воздуха специальным компрессором позволяет увеличить рабочий ход и мощность двигателя. 5 ил.

Изобретение относится к роторным двигателям и предназначено для использования на транспорте.

Известен двигатель Трахселя с вращающимися элементами, содержащий корпус, левый ротор, вращающийся уплотнительный элемент, правый ротор (Акатов Е. И. и др. Судовые роторные двигатели.- Л.: Судостроение, 1967, с. 34-35, рис. 7б).

Недостатком двигателя Трахселя является применение вращающегося уплотнительного элемента со специальным приводом.

Известен роторный двигатель, содержащий корпус, роторы, вращающиеся в противоположных направлениях, имеющие впадины, лопатки, жестко крепимые на роторах, плотно перекрывающие поперечное сечение рабочих полостей и сечения впадин, синхронизирующие шестерни, входящие в зубчатое зацепление, устанавливаемые на валах ротора, причем лопатки и роторы являются рабочими органами, а синхронизирующие шестерни обеспечивают равенство угловых скоростей вращения роторов (Акатов Е. И. и др. Судовые роторные двигатели.- Л.: Судостроение, 1967, с. 34-35, рис. 7г), выбранный в качестве прототипа.

Недостатком многороторного двигателя является расположение камеры сгорания между роторами, в рабочем пространстве, в условиях переменных газодинамических и термических нагрузок, а также производительные затраты мощности на привод вращающихся уплотняющих элементов, сложность устройства.

Задача предлагаемого изобретения направлена на улучшение массогабаритных показателей роторного двигателя, увеличение рабочего хода путем объединения рабочих полостей роторов, при котором камера сгорания и рабочее пространство становятся общими для обоих роторов, использования лопаток двигателя одновременно в качестве рабочих органов и стенок камеры сгорания, применения роторов и лопаток в качестве уплотняющих элементов.

Поставленная задача достигается тем, что известный роторный двигатель, содержащий корпус, роторы, вращающиеся в противоположных направлениях, имеющие впадины, лопатки, жестко крепимые на роторах, плотно перекрывающие поперечное сечение рабочих полостей и сечения впадин, синхронизирующие шестерни, входящие в зубчатое зацепление, устанавливаемые на валах ротора, причем лопатки и роторы являются рабочими органами, а синхронизирующие шестерни обеспечивают равенство угловых скоростей вращения роторов, снабжен компрессором, располагаемым в общем корпусе с двигателем, роторы и синхронизирующие шестерни выполнены коническими, оси которых пересекаются, внутреннее пространство корпуса содержит рабочие полости компрессора и двигателя, отделяемые стенкой, причем каждая из полостей общая для обоих роторов, рабочая полость двигателя состоит из камеры сгорания и рабочего пространства, общими для обоих роторов, лопатки двигателя образуют одни из стенок камеры сгорания и отделяют камеру сгорания от рабочего пространства, торцевые стенки корпуса, роторов и лопатки имеют лабиринтные уплотнения, на боковых стенках роторов выполняются уплотняющие выступы и впадины, не входящие в зубчатое зацепление, лопатки и роторы являются уплотняющими элементами, синхронизирующие шестерни располагаются вне корпуса двигателя в отдельном общем корпусе и служат рабочим органом шестеренного насоса, сжатие воздуха осуществляется роторным бесклапанным компрессором, лопатки которого устанавливаются на роторах двигателя, подача сжатого воздуха регулируется роторами, имеющими окна в боковых стенках и отверстия в торцевых стенках, совмещающиеся при вращении роторов с соответствующими отверстиями в торцевых стенках корпуса.

Сущность изобретения подтверждается чертежами.

На фиг. 1 показано конструктивное выполнение роторного двигателя, фиг. 2 - чертеж с изображением роторов в качестве золотников, фиг. 3 - лабиринтные уплотнения между торцевыми стенками корпуса и роторов, фиг. 4 - лабиринтные уплотнения лопаток, фиг. 5 - поперечный разрез двигателя по лопаткам и впадинам.

Роторный двигатель содержит корпус 1, два конических ротора 2, поверхности которых соприкасаются, на которых жестко крепятся лопатки двигателя 3 и компрессора 4 и имеются впадины 5, 6, в которые входят лопатки при вращении, конические синхронизирующие шестерни 7, входящие в зубчатое зацепление, устанавливаемые на валах роторов 8 в отдельном общем корпусе 9. Замкнутое пространство внутри корпуса, между стенками корпуса 1 и роторами 2, образует рабочую полость двигателя 10 и компрессора 11, отделяемые внутренней стенкой 12, причем каждая из полостей общая для обоих роторов. Лопатки 3,4 плотно перекрывают поперечные сечения рабочих полостей 10, 11 и сечения впадин 5, 6. В торцевой стенке ротора 2 и в торцевой стенке корпуса 1 изготовлены соответственно отверстия 13 и 14, к отверстиям 13 совмещающихся при их движении с отверстиями 14, изготовленными в корпусе двигателя 1, подводятся нагнетательные патрубки 15 компрессора, роторы 2 имеют полости 16, в полостях 16 роторов двигателя выполняются каналы 17, а в боковых стенках - окна 18, в торцевых стенках корпуса, ротора и на лопатках выполнены лабиринтные уплотнения 19, а на боковых стенках роторов - не входящие в зубчатое зацепление уплотняющие выступы и впадины 20.

Работа роторного двигателя заключается в следующем.

Конические роторы 2 вращаются в противоположных направлениях, при этом боковые стенки роторов катятся одна по другой без скольжения, а лопатки двигателя 3 движутся в рабочей полости двигателя 10. Равенство угловых скоростей вращения роторов обеспечивается посредством синхронизирующих шестерен 7. При выходе лопаток двигателя 3 из впадин 5 роторов 2 и перекрытия ими сечения рабочей полости 10 последняя разделяется лопатками на две части: внутреннюю, замкнутую между лопатками, корпусом 1 и роторами 2, образующую камеру сгорания, и внешнюю - рабочее пространство. При этом камера сгорания и рабочее пространство являются общими для обоих роторов 2, а одними из стенок камеры сгорания являются лопатки двигателя 3. Вследствие увеличения межлопаточного пространства в камере сгорания создается разрежение. В зону разрежения подается сжатый компрессором воздух и топливо. Образующаяся топливная смесь воспламеняется от свечи зажигания или от сжатия. Образующееся в процессе сгорания топлива рабочее тело, расширяясь в общем рабочем пространстве, одновременно воздействует на лопатки 3 обоих роторов 2 и совершает механическую работу, направленную на вращение роторов 2. Остатки отработавших газов предыдущего цикла удаляются из рабочей полости 10 лопатками 3, выталкивающими их через постоянно открытое выпускное отверстие одновременно с рабочим ходом.

Работа роторного компрессора основана на периодическом изменении объемов рабочего пространства. При выходе лопаток компрессора 4 из впадин 6 роторов 2 объем межлопаточного пространства увеличивается, в нем создается разрежение и в результате насосного воздействия осуществляется наполнение рабочей полости компрессора 11 наружным воздухом. Одновременно происходит сжатие воздуха, поступившего в рабочее пространство в предшествующем цикле. Роторный компрессор является бесклапанным.

Регулирование подачи сжатого воздуха из компрессора в камеру сгорания может производиться клапаном или золотником.

В качестве золотников могут применяться роторы двигателя, имеющие отверстия 13 в торцевых стенках, совмещающиеся при их движении с отверстиями 14 в торцевых стенках, изготовляемыми в корпусе двигателя 1, к которым подводятся нагнетательные патрубки 15 компрессора. В полостях 16 роторов двигателя выполняются каналы 17, а в боковых стенках - окна 18, через которые сжатый воздух поступает в камеру сгорания. Такое устройство позволит исключить применение специального клапанного механизма. Действие центробежных сил на воздух, находящийся в каналах вращающегося ротора, повысит эффективность его подачи. Часть подаваемого в полости 16 роторов 2 воздуха может использоваться для продувки рабочей полости двигателя перед подачей свежего заряда. Также может подаваться воздух для охлаждения. Охлаждение двигателя может быть жидкостным или воздушным. Роторы 2 двигателя могут иметь цилиндрическую форму с параллельными осями.

Компрессор и двигатель могут иметь отдельные корпуса.

Устройство, подобное роторному компрессору, может иметь насосы. Выполняемые как агрегаты, роторные компрессоры и насосы могут иметь привод от любых типов двигателей.

Роторный двигатель может содержать несколько секций, располагаемых последовательно.

На роторах двигателя может устанавливаться несколько лопаток, причем на каждом разное количество, и выполняться столько же впадин, при этом роторы должны иметь диаметры, кратные числу лопаток на них, а синхронизирующие шестерни - равное отношению диаметров роторов передаточное число.

С целью исключения непосредственного контакта сопряженных поверхностей и перетекания газов между смежными объемами, в торцевых стенках корпуса, ротора и на лопатках могут выполняться лабиринтные уплотнения 19, а на боковых стенках роторов - не входящие в зубчатое зацепление уплотняющие выступы и впадины 20, обеспечивающие уплотнение при минимальных размерах.

Синхронизирующие шестерни 7 могут использоваться в качестве рабочего органа шестеренного насоса, например в гидродинамической передаче.

С целью уравновешивания сил инерции, лопатки компрессора 4 и двигателя 3 на каждом из роторов и соответственно впадины 6, 5 могут располагаться на роторах оппозитно.

Сжатие воздуха, подаваемого в камеру сгорания, может осуществляться компрессором, приводимым в действие турбиной, вращаемой выхлопными газами, или отдельным нагнетателем.

Выполнение роторов двигателя коническими позволяет уменьшить размеры, окружные скорости, массу и износ синхронизирующих шестерен 7 и массу двигателя в целом.

Расположение синхронизирующих шестерен 7 в отдельном корпусе исключает их контакт с продуктами сгорания, позволяет использовать их в качестве рабочего органа шестеренного насоса.

Свойство обратимости позволяет использовать конструкцию двигателя для изготовления компрессоров и насосов.

Установка лопаток компрессора 4 и двигателя на двух роторах позволит осуществлять процессы рабочего цикла в замкнутых контурах, уменьшить газодинамические и объемные потери.

Объединение рабочих полостей двух роторов обеспечивает увеличение рабочего пространства и степени сжатия.

Распределение рабочего процесса по отдельным рабочим полостям обеспечивает практически одновременное осуществление процессов сжатия, сгорания и расширения, позволяет увеличивать размерность и число ступеней компрессора, давление нагнетания, и, следовательно, повышать параметры рабочего тела, увеличивать вращающий момент и удельную мощность.

Осуществление процесса расширения в замкнутой кольцевой проточной части, при котором вектор скорости потока продуктов сгорания нормален к рабочим поверхностям лопаток, обеспечивает непосредственное преобразование энергии рабочего тела во вращательное движение роторов, увеличение КПД.

Одновременное и равносильное воздействие рабочего тела на лопатки обоих роторов, взаимно уравновешивающее действие связанных посредством синхронизирующих шестерен роторов, демпфирующее действие компрессора и шестеренного насоса обеспечивают равномерное вращение роторов.

Формула изобретения

Роторный двигатель, содержащий корпус, роторы, вращающиеся в противоположных направлениях, имеющие впадины, лопатки, жестко крепимые на роторах, плотно перекрывающие поперечное сечение рабочих полостей и сечения впадин, синхронизирующие шестерни, входящие в зубчатое зацепление, устанавливаемые на валах ротора, причем лопатки и роторы являются рабочими органами, а синхронизирующие шестерни обеспечивают равенство угловых скоростей вращения роторов, отличающийся тем, что снабжен компрессором, располагаемым в общем корпусе с двигателем, роторы и синхронизирующие шестерни имеют коническую форму, оси которых пересекаются, внутреннее пространство корпуса содержит рабочие полости компрессора и двигателя, отделяемые стенкой, причем каждая из полостей общая для обоих роторов, рабочая полость двигателя состоит из камеры сгорания и рабочего пространства, общими для обоих роторов, лопатки двигателя образуют одни из стенок камеры сгорания и отделяют камеру сгорания от рабочего пространства, торцевые стенки корпуса, роторов и лопатки имеют лабиринтные уплотнения, на боковых стенках роторов выполняются уплотняющие выступы и впадины, не входящие в зубчатое зацепление, лопатки и роторы являются уплотняющими элементами, синхронизирующие шестерни располагаются вне корпуса двигателя в отдельном общем корпусе и служат рабочим органом шестеренного насоса, сжатие воздуха осуществляется роторным бесклапанным компрессором, лопатки которого устанавливаются на роторах двигателя, подача сжатого воздуха регулируется роторами, имеющими окна в боковых стенках и отверстия в торцевых стенках, совмещающиеся при вращении роторов с соответствующими отверстиями в торцевых стенках корпуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5