Роторная машина
Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано при проектировании роторных двигателей, насосов, компрессоров. Роторная машина содержит статор, герметично закрытый с торцов, имеющий впускное и выпускное отверстия и подвижную перегородку с прорезью, расположенную в статоре с возможность вращения, а также образованные в статоре переменные внутренние объемы, ротор, выполненный в виде тела вращения с лопастями, связанный с подвижной перегородкой с возможностью прохода лопасти через прорезь перегородки. Прорезь в перегородке в сечении по окружности вращения имеет форму параллелограмма. Лопасть ротора в поперечном сечении представляет собой многоугольник, две стороны которого равны между собой и имеют возможность контактировать с торцевой поверхностью статора. По крайней мере, один из углов многоугольника, прилегающий у каждой из указанных сторон, равен тупому углу упомянутого параллелограмма. Контакт между внутренней поверхностью статора и подвижными перегородками, между внутренней поверхностью статора и конструкцией ротора, перегородками и лопастями ротора является герметичным. Технический результат - сохранение герметичности подвижного соединения «лопасть ротора - перегородка» и повышение кпд роторной машины. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано при проектировании роторных двигателей для преобразования энергии рабочего тела (газа, пара или жидкости) в механическую работу, а также при проектировании роторных двигателей внутреннего сгорания, роторных двигателей внешнего сгорания, насосов, гидронасосов, компрессоров и гидрокомпрессоров.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий статор с внутренней цилиндрической поверхностью, камеру сгорания, ротор с профилированной внешней поверхностью, выполненный с кулачковыми выступами, имеющими возможность контакта с внутренней цилиндрической поверхностью статора, и перегородки, установленные в статоре вблизи камеры сгорания и выполненные с возможностью перемещения и контакта с профилированной внешней поверхностью ротора, а разделительная перегородка расположена между впускным и выпускным отверстиями, причем внутренность статора, ротор и перегородки образуют переменные объемы, а камера сгорания выполнена из предкамеры и основной камеры, где основной камерой является один из переменных объемов статора. При этом предкамера размещена на статоре и выполнена с отверстиями, а на роторе выполнены каналы, имеющие возможность взаимодействовать с отверстиями предкамеры, внутренней поверхностью статора и переменными объемами статора (см. RU 2271456 С1, 10.03.2006, F01C 1/356).
Однако недостатком данного двигателя является присутствие в конструкции подвижных перегородок, осуществляющих возвратно-поступательные движения, что ограничивает быстроходность двигателя. Также недостатком является наличие ротора с кулачковыми выступами, уменьшающими свободный внутренний объем двигателя.
Частично указанные недостатки устранены в патенте US 928506, 20.07.1909. По данному патенту роторная машина, используемая в качестве двигателя, содержит статор, герметично закрытый с торцов, имеющий впускное и выпускное отверстия и оборудованный подвижными перегородками, а также образованные в статоре свободные переменные внутренние объемы, ротор с выступами, причем ротор выполнен в виде тела вращения, на котором выступы выполнены в виде лопастей, а подвижные перегородки выполнены с прорезями, причем перегородки имеют возможность вращения и имеют кинематическую связь с ротором, например, с помощью редуктора, причем эта связь выполнена таким образом, что лопасть ротора в момент прохождения через перегородку попадает в ее прорезь, при этом лопасти ротора имеют возможность герметичного контакта с поверхностью ротора и герметичного контакта со статором.
Однако недостатком данной роторной машины является нарушение герметичности перегородок в процессе прохождения лопасти ротора через прорезь вращающейся перегородки, так как при подходе лопасти к перегородке прорезь соединяет две до этого разделенные полости статора, в которых находятся газы с разными давлениями.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) принята роторная машина, содержащая статор, герметично закрытый с торцов, имеющий впускное и выпускное отверстия и подвижную перегородку с прорезью, расположенную в статоре с возможность вращения, а также образованные в статоре переменные внутренние объемы, ротор, выполненный в виде тела вращения с лопастями, связанный с подвижной перегородкой с возможностью прохода лопасти через прорезь перегородки, при этом прорезь в перегородке в сечении по окружности вращения имеет форму параллелограмма (см. DE 19509913 А1, 19.09.1996, F01C 3/02).
Однако недостатком данной роторной машины также является нарушение герметичности.
Указанные недостатки отсутствуют в предлагаемой схеме роторной машины. Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в сохранении герметичности подвижного соединения «лопасть ротора - перегородка» в процессе прохождения лопасти ротора через прорезь перегородки, что позволит повысить кпд роторной машины.
Указанный результат достигается в роторная машине, содержащей статор, герметично закрытый с торцов, имеющий впускное и выпускное отверстия и подвижную перегородку с прорезью, расположенную в статоре с возможность вращения, а также образованные в статоре переменные внутренние объемы, ротор, выполненный в виде тела вращения с лопастями, связанный с подвижной перегородкой с возможностью прохода лопасти через прорезь перегородки, при этом прорезь в перегородке в сечении по окружности вращения имеет форму параллелограмма, согласно изобретению лопасть ротора в поперечном сечении представляет собой многоугольник, две стороны которого равны между собой и имеют возможность контактировать с торцевой поверхностью статора, а, по крайней мере, один из углов многоугольника, прилегающий к каждой из указанных сторон, равен тупому углу упомянутого параллелограмма, при этом контакт между внутренней поверхностью статора и подвижными перегородками, между внутренней поверхностью статора и конструкцией ротора, перегородками и лопастями ротора является герметичным.
Кроме того, перегородка может быть выполнена в виде кольца с прорезями с возможностью осуществления функции двух подвижных перегородок, при этом лопасть ротора в поперечном сечении представляет собой шестиугольник, угол которого, образованный сторонами шестиугольника, одна из которых контактирует с торцевой поверхностью статора, равен тупому углу параллелограмма.
Кроме того, герметичный контакт между внутренней поверхностью статора и подвижными перегородками, между внутренней поверхностью статора и конструкцией ротора, перегородками и лопастями ротора может осуществляться бесконтактным «гребешковым уплотнением».
Конструктивная схема предлагаемой роторной машины иллюстрируется чертежами.
На фиг.1, 2, 3 изображена роторная машина, выполненная в варианте роторного двигателя для преобразования энергии рабочего тела (газа, пара или жидкости) в механическую работу с одной подвижной перегородкой.
На фиг.1 изображен общий вид роторной машины (со снятым торцом статора).
На фиг.2 изображен разрез по А-А фиг.1.
На фиг.3 изображена схема (последовательные положения «а б, в, г, д, е») прохождения лопасти ротора через прорезь подвижной перегородки.
На фиг.4, 5, 6 изображена роторная машина, выполненная в варианте роторного двигателя для преобразования энергии рабочего тела (газа, пара или жидкости) в механическую работу с подвижной перегородкой, исполненной в виде кольца.
На фиг.4 изображен общий вид роторной машины.
На фиг.5 изображен разрез по А-А фиг.4.
На фиг.6 изображена схема (последовательные положения «а б, в, г, д) прохождения лопасти ротора через прорези кольца - подвижной перегородки.
Роторная машина (фиг.1, 2, 3) состоит из статора 1 с внутренней круговой цилиндрической поверхностью, герметично закрытого с торцов, ротора 2 с выступами в виде лопастей 3 и 4, выполненного в виде тела вращения с образующей боковой поверхностью, равной или эквидистантной окружности диска, который выполняет роль подвижной перегородки 6. Подвижная перегородка (диск) 6 расположена в приливе 5 статора 1. В перегородке 6 имеется прорезь 7. Лопасти 3 и 4 в поперечном сечении представляют собой многоугольник. Для данного варианта роторной машины многоугольником является параллелограмм с углами при вершинах отличными от прямого. Подвижная перегородка 6 расположена перпендикулярно плоскости вращения ротора 2. Прорезь 7 в перегородке 6 в сечении по окружности вращения имеет также форму параллелограмма, аналогичного параллелограмму поперечного сечения лопасти, то есть аналогичного по углам (по математическому определению является подобным). По размерам сторон параллелограмм в перегородке является большим, чем параллелограмм лопасти, настолько, чтобы лопасть гарантировано проходила через прорезь перегородки. По обе стороны от подвижной перегородки 6, вблизи нее, выполнены впускное 8 и выпускное 9 отверстия. Полость в статоре 1, находящаяся между подвижной перегородкой 6 и лопастью 3 ротора 2 и соединенная с впускным 8 отверстием, образует камеру 10 переменного расширяющегося объема. Полость в статоре 1, находящаяся между подвижной перегородкой 6 и лопастью 4 ротора 2 и соединенная с выпускным 9 отверстием, образует камеру 11 переменного уменьшающегося объема. Полость в статоре 1, находящаяся между двумя лопастями 3 и 4, образуют камеру 12 постоянного объема. Ротор 2 имеет выходной вал 13. Ротор 2 и перегородка 6 соединены кинематической связью, выполненной в виде редуктора 14. Соединение подвижной перегородки 6 с ротором 2 может быть также осуществлено через блок управления.
Работа роторной машины происходит следующим образом.
Исходное положение (для примера, как показано на фиг.1). Лопасть 3 ротора 2 находится против часовой стрелки от впускного 8 отверстия. Впускное 8 отверстие соединено с камерой 10. Выпускное отверстие 9 соединено с камерой 11, где давление близко к давлению окружающей среды (при выпуске отработанного рабочего тела в атмосферу).
Рабочий ход. Рабочее тело под давлением через впускное 8 отверстие поступает в камеру 10, давит на лопасть 3 ротора 2, создавая момент силы и заставляя ротор 2 поворачиваться против часовой стрелки (как показано на фиг.1) и совершать механическую работу. При повороте ротора 2 лопасть 4 уменьшает объем камеры 11 и через отверстие 9 вытесняет находящееся там отработанное (с пониженным давлением) рабочее тело за пределы объема статора 1. При дальнейшем повороте ротора 2 лопасть 4 последовательно пересекает выпускное 9 отверстие, подвижную перегородку 6 и впускное 8 отверстие и при этом вошедшее внутрь (в камеру 10) рабочее тело оказывается запертым в камере 12 постоянного объема до тех пор, пока данный объем не окажется соединенным с выпускным 9 отверстием. Далее цикл повторяется.
Роторная машина позволяет осуществлять реверс при впуске рабочего тела в выпускное 9 отверстие и при выпуске отработанного рабочего тела во впускное 8 отверстие. Ротор 2 при этом будет вращаться по часовой стрелке.
Роторная машина, выполненная в варианте с подвижной перегородкой, исполненной в виде кольца (фиг.4, 5, 6), состоит из статора 1 с внутренней круговой цилиндрической поверхностью, герметично закрытого с торцов, ротора 2 с выступами в виде лопастей 3, 4, 15, 16, выполненного в виде тела вращения с образующей боковой поверхностью, равной или эквидистантной окружности кольца, который выполняет роль подвижной перегородки 6. Подвижная перегородка (кольцо) 6 расположена в приливе 5 статора 1. В перегородке (кольце) 6 имеются две прорези 7, при этом прорези в перегородках в сечении по окружности вращения имеют форму параллелограмма. Подвижная перегородка (кольцо) 6 выполняет роль двух перегородок. Лопасти 3, 4, 15, 16 в поперечном сечении представляют собой многоугольник. Для данного варианта роторной машины многоугольником является шестиугольник. Каждый из углов шестиугольника, образованный двумя сторонами шестиугольника, одна из которых контактирует с торцевой поверхностью статора, равен тупому углу параллелограмма, который имеет в сечении по окружности вращения прорезь подвижной перегородки (кольца). Перегородка (кольцо) 6 расположена перпендикулярно плоскости вращения ротора 2. По обе стороны от перегородки (кольца) 6, вблизи нее, выполнены впускное 8, 17 и выпускное 9, 18 отверстия. Полости в статоре 1, находящиеся между подвижной перегородкой (кольцом) 6 и лопастями 3, 4, 15, 16 ротора 2 являются камерами 10, 11, 12, 19, 20, 21 переменного и постоянного объема. Таким образом, видно, что данный вариант исполнения роторной машины имеет два независимых контура работы. Ротор 2 имеет выходной вал 13. Ротор 2 и перегородка (кольцо) 6 соединены кинематической связью, выполненной в виде редуктора 14. Соединение подвижной перегородки (кольца) 6 с ротором 2 может быть также осуществлено через блок управления.
Работа данного варианта роторной машины осуществляется аналогично предыдущему варианту с учетом того, что в этом варианте исполнения роторная машина имеет два независимых контура работы. Два независимых контура работы могут быть использованы для повышения надежности работы и повышения мощности роторной машины.
Герметичность подвижных соединений конструкции, а именно: «ротор - статор», «лопасти ротора - статор», «подвижная перегородка - статор», «лопасти ротора - подвижная перегородка (в момент прохождения лопасти через прорезь перегородки)», может осуществляться бесконтактным гребешковым уплотнением (лабиринтным уплотнением). То есть эти сопрягаемые поверхности имеют зазор порядка 0,05-0,2 мм, а, по крайней мере, на одну из сопрягаемых поверхностей нанесены микрогребешки с шагом порядка 0,1 мм и менее. Причем, чем выше относительно друг друга скорость перемещения сопрягаемых поверхностей, тем лучше герметичность данного бесконтактного уплотнения.
Использование «гребешкового неконтактного» уплотнения в качестве способа герметизации сопрягаемых подвижных элементах конструкции: «ротор - статор», «лопасти ротора - статор», «подвижная перегородка - статор», «лопасти ротора - подвижная перегородка (в момент прохождения лопасти через прорезь перегородки)», позволяет практически устранить трение и износ рабочих органов роторной машины.
Наличие только вращающихся рабочих элементов позволяет в предложенном устройстве достигать больших значений оборотов выходного вала, а значит снимать с него большую удельную мощность.
Предложенная конструкция может быть использована при проектировании двигателей, использующих энергию рабочего тела, находящегося под давлением (сжатый газ, пар, жидкость), а также при проектировании роторных тепловых двигателей, насосов, гидронасосов, компрессоров и гидрокомпрессоров.
Технический результат заключается в сохранении герметичности подвижного соединения «лопасть ротора - перегородка» в процессе прохождения лопасти ротора через прорезь перегородки. Поскольку отсутствует непосредственный контакт между подвижными частями двигателя (в варианте «гребешкового уплотнения»), то двигатель может развивать более высокие обороты и соответственно большую мощность, а также резко снизится его износ, что позволит повысить кпд роторной машины.
1. Роторная машина, содержащая статор, герметично закрытый с торцов, имеющий впускное и выпускное отверстия и подвижную перегородку с прорезью, расположенную в статоре с возможность вращения, а также образованные в статоре переменные внутренние объемы, ротор, выполненный в виде тела вращения с лопастями, связанный с подвижной перегородкой, с возможностью прохода лопасти через прорезь перегородки, при этом прорезь в перегородке, в сечении по окружности вращения, имеет форму параллелограмма, отличающаяся тем, что лопасть ротора в поперечном сечении представляет собой многоугольник, две стороны которого равны между собой и имеют возможность контактировать с торцевой поверхностью статора, а, по крайней мере, один из углов многоугольника, прилегающий к каждой из указанных сторон, равен тупому углу упомянутого параллелограмма, при этом контакт между внутренней поверхностью статора и подвижными перегородками, между внутренней поверхностью статора и конструкцией ротора, перегородками и лопастями ротора является герметичным.
2. Роторная машина по п.1, отличающаяся тем, что перегородка выполнена в виде кольца с прорезями с возможностью осуществления функции двух подвижных перегородок, при этом лопасть ротора в поперечном сечении представляет собой шестиугольник, угол которого, образованный сторонами шестиугольника, одна из которых контактирует с торцевой поверхностью статора, равен тупому углу параллелограмму, упомянутому по п.1.
3. Роторная машина по п.1, отличающаяся тем, что герметичный контакт между внутренней поверхностью статора и подвижными перегородками, между внутренней поверхностью статора и конструкцией ротора, перегородками и лопастями ротора осуществляется бесконтактным «гребешковым уплотнением».
