Роторный двигатель

 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к роторным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является упрощение технологии изготовления двигателя и увеличение срока его эксплуатации. Сущность изобретения заключается в том, что статор в сечении имеет форму окружности радиуса R с центром на начальной окружности внутренней шестерни, а каждая пара камер состоит из камеры впуск - сжатие, камеры рабочий ход - выпуск и механизма передачи сжатого заряда из первой камеры во вторую. Закругленная вершина ротора выполнена подвижной и имеет в сечении вид поворотного уплотняющего башмака с рабочей поверхностью в виде круговой дуги радиуса R, герметично поворачивающегося вокруг оси и упруго прижимающегося к стенке статора. 6 ил., 1 табл.

Изобретение может быть использовано в области двигателестроения для преобразования энергии жидкого топлива во вращательную механическую энергию.

Известен роторный двигатель с двухвершинным остроугольным ротором, жестко связанным с подвижной шестерней, имеющей диаметр 2d и обкатывающей внутреннюю неподвижную шестерню диаметра d, причем рабочая поверхность статора выполнена по конхоиде окружности. Такая форма статора обеспечивает постоянное касание ротором двух точек статора и создает тем самым две замкнутые рабочие полости с переменным объемом по обе стороны ротора [1].

Недостатком этого роторного двигателя является недостаточная герметичность вершин ротора, которая существенно ухудшает экономические показатели двигателя и уменьшает его срок эксплуатации.

Известен роторный двигатель с двухвершинным закругленным ротором, жестко связанным с подвижной шестерней, имеющей диаметр 2d и обкатывающей внутреннюю неподвижную шестерню диаметра d, причем рабочая поверхность статора выполнена по кривой, описанной в полярных координатах по сложной параметрической зависимости. Эта зависимость обеспечивает постоянное касание ротором двух точек статора и создает тем самым две замкнутые рабочие камеры с переменным объемом по обе стороны ротора [2].

Недостатком этого двигателя является сложность изготовления статора и износ поверхностей статора и ротора.

Задача изобретения - упрощение конструкции статора и компенсация износа трущихся поверхностей.

Технический результат - упрощение технологии изготовления двигателя и увеличение срока его эксплуатации.

Это достигается тем, что в роторном двигателе, содержащем пары рабочих камер, замкнутые переменные объемы в которых образованы статорами и двухвершинными закругленными роторами, движущимися в неподвижных стенках и жестко связанными с подвижной шестерней внутреннего зацепления, обкатывающей внутреннюю неподвижную шестерню вдвое меньшего диаметра,

- статор в сечении имеет форму окружности радиуса R с центром на начальной окружности внутренней шестерни;

- впуск и сжатие заряда происходят в одной рабочей камере, а рабочий ход и выпуск сгоревшего заряда - в другой, причем механизм передачи сжатого заряда из первой камеры во вторую выполнен в виде отверстия в межкамерной стенке, канавок в стенках роторов, примыкающих к неподвижной стенке и соединяющихся с отверстием в ней при малом переменном объеме рабочих камер, и отверстий в средних частях роторов, соединяющих переменные объемы рабочих камер с канавками;

- закругленная вершина ротора выполнена подвижной и имеет в сечении вид поворотного уплотняющего башмака с рабочей поверхностью в виде круговой дуги радиуса R, герметично поворачивающегося вокруг оси и упруго прижимающегося к стенке статора;

- места впуска свежего заряда в первой камере и выпуска сгоревшего заряда в другой расположены в местах касания соответствующих роторов со статорами при тех положениях роторов, которые образуют минимальные объемы рабочих камер;

- подвижная шестерня эксцентрично поворачивается в концевых втулках, ось вращения которых совпадает с осью внутренней неподвижной шестерни, причем одна из втулок жестко связана с шестерней, передающей вращение на вал отбора мощности, а неподвижная шестерня на концах переходит в участки вала;

- на одной подвижной шестерне размещается несколько пар камер, статоры которых повернуты относительно друг друга на некоторый угол;

- внутренняя полость между шестернями использована для объема жидкости, охлаждающей двигатель;

- ротор второй камеры имеет в средней части углубления с двух сторон для обеспечения заданной степени сжатия заряда.

Существенность отличий обосновывается следующим образом:

- изготовление круговой формы статора значительно проще, чем изготовление сложного контура статора, предложенного в прототипе,

- протекание полного термодинамического цикла в двух камерах позволяет упростить процессы охлаждения двигателя и выполнять впуск и выпуск заряда в разных камерах без использования сложного клапанного механизма,

- механизм перетекания сжатого заряда из одной камеры в другую также выполнен без использования клапанов,

- поворотный круговой башмак с рабочим радиусом, равным радиусу статора, обеспечивает хорошую герметичность разделения объемов по обе стороны поршня и компенсацию износа поверхности за счет поворота вокруг оси, размещенной на подпружиненном брусе,

- эксцентричное размещение подвижной шестерни между концевыми втулками обеспечивает ее кинематическую связь с валом отбора мощности,

- возможность одновременной работы повернутых пар камер позволяет уменьшить усилие на зуб шестерни за счет разнонаправленности сил давления газов при разных углах поворота статора.

При данной конструкции двигателя роторы касаются статоров в двух точках, обеспечивая получение двух переменных объемов по обе стороны поршня. Одновременно роторы через жестко связанную с ними подвижную шестерню получают от нее сложное обкатывающее движение. Далее считается, что наименьшему переменному объему соответствует горизонтальное положение роторов.

На фиг.1 представлен продольный разрез двигателя при горизонтальном положении роторов; на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1 (сечение камеры впуск - сжатие); на фиг.3 - разрез по В-В на фиг.1 (сечение камеры рабочий ход - выпуск); на фиг.4 - разрез камеры впуск - сжатие при наклонном положении роторов; на фиг.5 - разрез по Б-Б на фиг.1 (через межкамерную перегородку); на фиг.6 - пространственный разрез ротора по его малой оси.

Для наглядности зазоры между соприкасающимися поверхностями резко увеличены.

Двигатель содержит камеры сгорания 1 и 2 в виде внутренностей круговых цилиндров радиуса R, роторы 3, длинную внутреннюю неподвижную шестерню 4, переходящую на концах в цилиндрические участки обычного вала, длинную подвижную шестерню 5, обкатывающую неподвижную шестерню 4 и жестко связанную с поршнями 3, концевые втулки 6 и 7 с эксцентричными опорными гнездами для подвижной шестерни 5, межкамерную стенку (перегородку) 8. Концевые втулки 6 и 7 вращаются на цилиндрических участках неподвижной шестерни 4, причем на втулке 7 размещена шестерня 9 для отбора мощности двигателя.

Подвижная закругленная вершина ротора 3 выполнена в виде уплотняющего башмака 10 с рабочей поверхностью в виде сегмента круга радиуса R, поворачивающегося на оси поворота 11, расположенной вблизи вершины ротора на подпружиненном полом брусе 12.

Механизм перетекания сжатого заряда из одной камеры в другую выполнен в виде отверстия 13 в межкамерной стенке (перегородке) 8, серповидных канавок 14 в торцах роторов, соприкасающихся с перегородкой 8, и отверстий 15 в боковых сторонах роторов 3.

Свечи зажигания в камере 2 не указаны. Переменные объемы каждой камеры 1 или 2 обозначены буквами а и б. Ротор 3 в камере 2 имеет углубления в боковых стенках для сжатого заряда перед его поджиганием. Ротор 3 в камере 1 имеет в сечении такую форму, что минимальный переменный объем по величине очень мал.

Механизм впуска свежего заряда осуществляется через отверстие 16 камеры 1, расположенное в статоре напротив конца большой оси ротора 3 при наименьшем рабочем объеме камеры (в данном случае при горизонтальном положении этой большой оси).

Механизм выпуска сгоревшего заряда осуществляется через отверстие 17 камеры 2, расположенное в статоре напротив другого конца большой оси ротора 3 при наименьшем объеме рабочего объема камеры 2 (в данном случае при горизонтальном положении этой большой оси).

Двигатель работает следующим образом. При движении роторов 3 в камерах 1 и 2 создаются два замкнутых рабочих объема а и б, один из которых увеличивается, а другой уменьшается. Увеличивающийся объем (например, а) в камере 1 связан со всасыванием свежего заряда через отверстие 16, а уменьшающийся объем б в этой камере означает сжатие свежего заряда. Вблизи минимальной величины этого объема серповидные канавки 14 в торцах роторов 3 оказываются напротив отверстия 13 в межстаторной перегородке 8. Возникает сквозной путь: уменьшающийся объем камеры 1 - отверстие 15 этой камеры - канавка 14 камеры 1 - отверстие 13 в перегородке 8 - канавка 14 камеры 2 - отверстие 15 камеры 2 - уменьшающийся объем камеры 2.

В результате сжатый заряд из камеры 1 перетекает в камеру 2. При дальнейшем движении роторов 3 серповидные канавки 14 в обоих роторах выходят из соприкосновения с отверстием 13 в межкамерной перегородке 8, процесс перетекания заканчивается и переменные объемы в камерах 1 и 2 оказываются изолированными друг от друга. В камере 2 в сжатом заряде срабатывают свечи зажигания, заряд воспламеняется и под действием высокого давления сгоревшего заряда начинается рабочий ход ротора 3 в камере 2. Поскольку этот ротор жестко связан с подвижной шестерней 5, а через нее и с поршнем камеры 1, то возникает передача энергии на вал отбора мощности и на всасывание заряда в камере 1. Продолжающее движение ротора в камере 2 приводит к тому, что вершина ротора 3 этой камеры оказывается напротив отверстия 17 выпуска сгоревшего заряда. Другой объем этой камеры 2 оказывается в режиме перетекания и процесс повторяется.

Принцип построения нового двигателя основан на том факте, что, если бы вершина ротора с такой кинематикой была остроугольной (т.е. точечной), то она описывала бы замкнутую кривую (перициклоиду [3]), которая при увеличении величины L/d очень быстро приближается к окружности (здесь L - расстояние от точечной вершины остроугольного ротора до его центра, a d - диаметр внутренней неподвижной шестерни). Для оценки такого влияния величины L/d на форму траектории точечной вершины ротора можно привести такие цифры (е - максимальная величина отклонения по радиусу от окружности до траектории точечной вершины ротора)

При этом диаметр соответствующей окружности ротора равен 2L т.е. отношение отклонения е к диаметру этой окружности делается в 2L/d раз меньше.

Например, при d=40 мм и L/d=3.5 диаметр внутренней окружности статора будет равен D=280 мм, а отклонение e=0,14·d=5,6 мм, т.е. примерно в два раза меньше хода клапанов распределительного механизма обычного карбюраторного двигателя.

Длительность одного такта в данном роторном двигателе будет равна времени одного оборота ротора, а не половине оборота вала, как у обычного двигателя, т.е. в два раза дольше. Это означает, что допустимое время осуществления термодинамического цикла позволяет в два раза повысить предельное число оборотов оси подвижной шестерни.

Тот факт, что в данном двигателе отклонение центра тяжести вращающегося звена подвижная шестерня + роторы от оси вращения сравнительно мало, говорит о малости центробежных сил при больших числах оборотов. К тому же сравнительно большая длина неподвижной шестерни делает погонную нагрузку от этой силы не слишком значительной.

Одинаковость радиуса у статора и башмака ротора обеспечивает высокую герметичность двигателя, а упругость прижима - его долговечность.

Источники информации

1. Патент РФ N 2015372, F 02 В 53/00 от 03.07.89

2. А.с. СССР N 1312189, F 01 С 1/00 от 23.05.87

3. Справочник машиностроителя. М. - 1963. - с.281

Формула изобретения

Роторный двигатель, содержащий пары рабочих камер, замкнутые переменные объемы в которых образованы статорами и двухвершинными закругленными роторами, движущимися в неподвижных стенках и жестко связанными с подвижной шестерней внутреннего зацепления, обкатывающей внутреннюю неподвижную шестерню вдвое меньшего диаметра, отличающийся тем, что статор в сечении имеет форму окружности радиуса R с центром на начальной окружности внутренней шестерни, каждая пара камер состоит из камеры "впуск-сжатие", камеры "рабочий ход-выпуск" и механизма передачи сжатого заряда из первой камеры во вторую, выполненного в виде отверстия в межкамерной стенке, канавок в стенках роторов, примыкающих к неподвижной стенке и соединяющихся с отверстием в ней при малом переменном объеме рабочих камер, и отверстий в средних частях роторов, соединяющих переменные объемы рабочих камер с канавками, закругленная вершина ротора выполнена подвижной и имеет в сечении вид поворотного уплотняющего башмака с рабочей поверхностью в виде круговой дуги радиуса R, герметично поворачивающегося вокруг оси и упруго прижимающегося к стенке статора, места впуска свежего заряда в первой камере и выпуска сгоревшего заряда в другой расположены в местах касания соответствующих роторов со статорами, при тех положениях роторов, которые образуют минимальные объемы рабочих камер, подвижная шестерня эксцентрично размещена с возможностью поворота в концевых втулках, ось вращения которых совпадает с осью внутренней неподвижной шестерни, причем одна из втулок жестко связана с шестерней, передающей вращение на вал отбора мощности, а неподвижная шестерня на концах переходит в цилиндрические участки вала, на одной подвижной шестерне размещается несколько пар камер, статоры которых повернуты относительно друг друга на некоторый угол, внутренняя полость между шестернями использована для объема жидкости, охлаждающей двигатель, ротор камеры "рабочий ход - выпуск" имеет в средней части углубления с двух сторон для обеспечения заданной степени сжатия заряда.

РИСУНКИ