EA014982B1 - Роторный двигатель (варианты) - Google Patents

Abstract

Роторный двигатель 1 (фиг. 1) содержит смонтированный в корпусе 2, в кольцевой обойме 3 вал 6 с ротором 7. На внешней цилиндрической поверхности ротора 7 между радиальными перемычками 8 со скругленными относительно основания поверхностями выполнено пять декомпрессионных камер 9. Направляющие и рабочие стенки декомпрессионных камер 9 образуют рабочую зону 17, сообщающуюся с гравитационной камерой 20, образованной ротором 7 и кольцевой обоймой 3, имеющей каналы впуска и выпуска с тарированными входными 4 и выходными 5 отверстиями. Каждая декомпрессионная камера 9 дополнительно содержит сегмент 11. Внутренние плоскости сегмента 11 выполнены по форме внутренних стенок 12, 13, 14 декомпрессионной камеры 9, а внешняя плоскость является направляющей рабочей стенкой 15, убывающей в плане по дугообразной кривой от торцевой поверхности 14 одной перемычки 8 к основанию внутренней скругленной поверхности 12 другой перемычки 8. При этом в перемычках выполнены пазы 21 с размещенными в них подпружиненными в радиальном направлении шиберами 23.

Description

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для привода различных механизмов и машин, как стационарных, так и передвижных, во всех отраслях промышленности, например, для энергоснабжения устройств высокой мощности, в частности, в замкнутых циклах с другими механизмами для воспроизводства электрической энергии, например, валов корабельных винтов, промышленных электрогенераторов и других подобных объектов техники.

Известен роторный двигатель с осевым входным и периферийным выходным патрубками [1]. Роторный двигатель содержит корпус, рабочий орган в виде ротора с гидравлическими каналами и соединенный с валом привод. Ротор выполнен в виде тел вращения, полусферы или усеченного конуса в приемной камере, расположенной в его узкой части. Внутри ротора выполнены гидравлические каналы в виде многозаходных винтовых, разветвляющихся от камеры к периферии спиралей. Выходы каналов расположены на периферии в широкой части ротора или на его торце. Винты спирали гидравлических каналов выполнены под углом φ=η^π, где п>0 с заданным шагом от 0,5 до 1 диаметра ротора по оси, а приемная камера выполнена в виде усеченного конуса.

Недостатками известного роторного двигателя является технологически сложно выполнимые гидравлические каналы ротора, а также низкий КПД, недостаточно эффективное преобразование кинетической энергии рабочей среды в механическую энергию вращения ротора.

Более перспективными в современных условиях являются разработки силовых установок, в основу которых положена теория вращающего пространства, динамические основы преобразования энергии, теоретические основы материализации энергии, а также основные теоретические наработки в области гидродинамических процессов.

Наиболее близким к предложенному является роторный двигатель, в корпусе которого в сборной кольцевой оболочке (обойме) смонтирован вал с ротором, на внешней цилиндрической поверхности ротора выполнены разделенные между собой перемычками, со скругленными относительно основания поверхностями, декомпрессионные камеры, с направляющими и рабочими стенками, образующими рабочую зону, сообщающиеся с гравитационной камерой, образованной ротором и кольцевой обоймой с каналами впуска и выпуска с тарированными входными и выходными отверстиями в корпусе [2].

Основным недостатком известного роторного двигателя является то, что он не может обеспечивать плавность вращения ротора, поскольку при наличии двух впускных и двух выпускных отверстий при четном числе декомпрессионных камер во время запуска двигателя оба впускные отверстия попадают на переднюю кромку декомпрессионной камеры, вследствие чего образуются мертвые зоны. Это не обеспечивает эффективной работы известной машины, не позволяет получить достаточно высокой мощности механической энергии вращения ротора на выходе.

Другим недостатком известного устройства является сложность конструкции, в частности сборной кольцевой оболочки, выполненной в виде по меньшей мере четырех сегментов, закрепленных на внутренней цилиндрической поверхности корпуса с возможностью их одностороннего перемещения посредством регулировочных винтов.

Кроме того, такая конструкция уменьшает износостойкость устройства в целом, при этом в местах стыка сегментов неизбежны потери энергии, что также снижает КПД машины. Известная роторная машина замкнутого цикла имеет ограниченные функциональные возможности, прежде всего по мощности, принципу работы в замкнутом цикле и направлению движения ротора.

Задачей изобретений является увеличение КПД, упрощение конструкции устройства и технологии изготовления в целом, автоматизация процесса возврата и использования энергии, расширение функциональных возможностей за счет обеспечения прямого и обратного вращения ротора.

Поставленная задача решается тем, что в известной конструкции роторного двигателя, содержащего смонтированный в корпусе, в кольцевой обойме вал с ротором, на внешней цилиндрической поверхности ротора между радиальными перемычками, со скругленными относительно основания поверхностями, выполнены декомпрессионные камеры с направляющими и рабочими стенками, образующими рабочую зону, сообщающиеся с гравитационной камерой, образованной ротором и кольцевой обоймой с каналами впуска и выпуска с тарированными входными и выходными отверстиями, в роторе выполнено нечетное количество декомпрессионных камер, предпочтительно пять, каждая декомпрессионная камера дополнительно содержит сегмент, внутренние плоскости которого выполнены по форме ее внутренних стенок, а внешняя плоскость является направляющей стенкой декомпрессионной камеры, убывающей в плане дугообразной кривой от торцевой поверхности одной перемычки к основанию внутренней скругленной поверхности другой перемычки, являющейся рабочей стенкой декомпрессионной камеры, при этом в перемычках выполнены пазы с размещенными в них подпружиненными в радиальном направлении шиберами.

Выполненные в кольцевой обойме и корпусе выходные тарированные отверстия больше входных тарированных отверстий.

Кольцевая обойма содержит термически обработанную внутреннюю поверхность.

Кольцевая обойма выполнена заодно с корпусом роторного двигателя.

Ротор выполнен составным из двух частей, жестко соединенных между собой.

Поставленная задача решается тем, что в известной конструкции роторного двигателя, содержаще

- 1 014982 го смонтированный в корпусе в кольцевой обойме вал с ротором, на внешней цилиндрической поверхности ротора между радиальными перемычками со скругленными относительно основания поверхностями выполнены декомпрессионные камеры с направляющими и рабочими стенками, образующими рабочую зону, сообщающиеся с гравитационной камерой, образованной ротором и кольцевой обоймой с каналами впуска и выпуска с тарированными входными и выходными отверстиями, в корпусе роторного двигателя на валу последовательно закреплены в кольцевых обоймах по крайней мере два ротора с нечетным количеством декомпрессионных камер, предпочтительно пятью, каждая декомпрессионная камера дополнительно содержит сегмент, внутренние плоскости которого выполнены по форме ее внутренних стенок, а внешняя плоскость является направляющей стенкой декомпрессионной камеры, убывающей в плане дугообразной кривой от торцевой поверхности одной перемычки к основанию внутренней скругленной поверхности другой перемычки, являющейся рабочей стенкой декомпрессионной камеры, при этом в перемычках выполнены пазы с размещенными в них подпружиненными в радиальном направлении шиберами.

Выполненные в кольцевой обойме выходные тарированные отверстия больше входных тарированных отверстий.

Каналы впуска рабочей жидкости последовательно закрепленных роторов соединены с единой питательной магистралью, а каналы выпуска соединены с единой сливной магистралью.

То, что ротор имеет нечетное количество декомпрессионных камер, предпочтительно пять, позволяет обеспечить плавность вращения ротора за счет исключения в процессе запуска мертвых зон, что в свою очередь влияет на увеличение КПД.

Поскольку внутренние плоскости сегмента выполнены по форме внутренних стенок декомпрессионных камер, перемычки камер имеют симметричную в радиальном направлении форму. Это позволяет обеспечить перестановку съемных сегментов в роторе, что в свою очередь позволяет значительно упростить технологию производства, расширяет функциональные возможности машины за счет обеспечения правого или левого вращения ротора.

То, что каждая камера дополнительно содержит установленный с минимальными зазорами относительно ее внутренних стенок сегмент, определяющий рабочую зону, направляющую поток рабочей жидкости, позволяет выполнить эту зону в пределах параметров, обеспечивающих при малых линейных скоростях вращения, т.е. меньшем диаметре ротора, возможность получения необходимого крутящего момента на выходном валу.

Внешняя плоскость сегмента является направляющей стенкой декомпрессионной камеры, убывающей в плане по дугообразной кривой от торцевой поверхности одной перемычки к основанию внутренней скругленной поверхности другой перемычки. При этом в кромочной части торцевой поверхности перемычки образуется утолщение, соответствующее форме дугообразной кривой. Внешняя плоскость сегмента является одновременно рабочей стенкой декомпрессионной камеры. Ее форма способствует снятию обратного гидравлического удара, неизбежного в известных гидравлических машинах, а также позволяет исключить проточную циркуляцию рабочей жидкости, что увеличивает КПД.

Другим преимуществом сегмента является то, что при износе направляющей стенки рабочей зоны его легко можно заменить на новый.

Выполнение в перемычках пазов с размещенными в них подпружиненными в радиальном направлении шиберами, позволяет в процессе вращения ротора за счет пружин и возникающих центробежных сил прижиматься шиберам к кольцевой обойме, выбирая таким образом зазор между ротором и обоймой и производя сброс рабочей жидкости в полость.

То, что выходные тарированные отверстия в кольцевой обойме и корпусе больше входных тарированных отверстий, позволяет эффективно производить сброс давления в системе.

Упростить технологию изготовления роторного двигателя, в том числе сложных по конфигурации декомпрессионных камер, позволяет то, что ротор выполнен составным из двух частей, жестко соединенных между собой, а радиальные перемычки имеют скругленные относительно основания поверхности, образующие в основании утолщения.

Использование двух и более последовательно закрепленных в обоймах роторов предназначено для применения в более мощных объектах.

То, что каналы впуска рабочей жидкости последовательно закрепленных роторов соединены с единой питательной магистралью, а каналы выпуска соединены с единой сливной магистралью, упрощает конструкцию и стабилизирует работу роторного двигателя с несколькими роторами и обеспечивает ее функционирование.

Предложенные роторные двигатели позволяют учитывать и использовать эффект антигравитационных камер замкнутых в гидравлическом поле, высокоимпульсный коэффициент давления, а также прямо направленный гидроудар, гравитационно-инерционные силы, направленные в рабочую зону декомпрессионной камеры, коэффициент остаточного давления, коэффициент плотности жидкости, коэффициент сжимаемости жидкости.

Техническим результатом изобретений является увеличение КПД, упрощение конструкции и технологии производства, автоматизация процесса возврата и использования энергии, быстродействие ма

- 2 014982 шины в целом, расширение функциональных возможностей за счет обеспечения прямого и обратного вращения ротора.

Сущность предложенных изобретений поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлен общий вид роторного двигателя с одним составным ротором;

фиг. 2 - вид поперечного сечения декомпрессионной камеры ротора;

фиг. 3 - общий вид роторного двигателя с двумя последовательно закрепленными роторами.

Роторный двигатель 1 (фиг. 1, 3), содержит корпус 2 с установленной в нем кольцевой обоймой 3 с термически обработанной внутренней поверхностью. В корпусе 2 выполнены по два тарированных входных 4 и два тарированных выходных 5 отверстия, расположенных равномерно и поочередно с интервалом в 90° относительно друг друга. В обойме 3 смонтирован вал 6 с ротором 7, составным из двух жестко соединенных частей А и Б, с последующей чистовой доводкой их наружных и боковых поверхностей после сборки. Выходные отверстия 5 для сброса давления имеют больший диаметр, чем входные отверстия 4 для подачи рабочей жидкости. Для каждого конкретного исполнения машины в зависимости от диаметра ротора 7 производят конкретный расчет тарированных отверстий 4 и 5.

На внешней цилиндрической поверхности ротора 7 между радиальными перемычкам 8 со скругленными относительно основания поверхностями выполнено пять декомпрессионных камер 9 по количеству перемычек 8 с торцевыми цилиндрическими поверхностями 10, также имеющими утолщения (фиг. 2).

Каждая декомпрессионная камера 9 дополнительно содержит сегмент 11, внутренние плоскости которого выполнены по форме ее внутренних стенок 12, 13, 14.

При этом одна из плоскостей 12 или 14, а также плоскость 13 являются опорными плоскостями для сегмента 11. Внешняя плоскость сегмента 11 является направляющей стенкой 15 декомпрессионной камеры 9, убывающей в плане по дугообразной кривой от кромки 16 одной перемычки 8 к основанию внутренней скругленной поверхности 12 другой перемычки 8, являющейся рабочей стенкой декомпрессионной камеры 9. Направляющая стенка 15 и рабочая стенка 12 образуют рабочую зону 17 декомпрессионной камеры 9.

Съемные сегменты 11, расположенные в декомпрессионных камерах 9, определяют работу ротора 7 и направляют ламинарный поток рабочей жидкости высокого давления по дугообразной кривой к рабочей стенке 12 или 14 перемычки 8 ротора 7 в сторону его вращения. Наличие съемных сегментов 11 позволяет обеспечить в зависимости от необходимости как правое, так и левое вращение ротора 7 при смене опорных поверхностей 12 или 14 (фиг. 3).

Размеры сегмента 11 декомпрессионной камеры 9 определяются исходя из диаметра Ό ротора 7, длина по касательной диаметра ротора 7 должна находиться в пределах 67-71°, а ширина - 1/3-1/5 Ό.

Передняя кромка 16 направляющей стенки 15 декомпрессионных камер 9 выполнена с возможностью сообщения с каналами (или пазами) впуска 18.

В кольцевой обойме 3 роторного двигателя 1 выполнено два канала впуска (или паза) 18 и два канала выпуска (или паза) 19, связанных с кольцевой гравитационной камерой 20, образованной кольцевой обоймой 3 с термически обработанной внутренней поверхностью и декомпрессионными камерами 9 ротора 7.

В перемычках 8 выполнены пазы 21, в которых размещены подпружиненные от центра ротора 7 в радиальном направлении пружинами 22 шиберы 23. Шиберы 23 выполнены из более мягкого материала, имеющего наименьший коэффициент трения по стали, такого как латунь, бронза, синтетический материал. Это позволяет легко заменить их в процессе износа при эксплуатации предложенного роторного двигателя.

Корпус 2 роторного двигателя 1 выполнен заодно с фланцами 24 или с лапообразным основанием (не показано). Выполнение корпуса 2 роторного двигателя заодно с фланцами или лапообразным основанием расширяет номенклатуру изделий, позволяющих использовать их как в подвешенном виде, так и с опорой на основание.

Кольцевая обойма 3 для роторных двигателей 1 с малой мощностью может быть выполнена заодно с корпусом 2.

В более мощных объектах предусмотрен вариант исполнения предложенного изобретения с последовательно закрепленными двумя и более роторами 7 (фиг. 3). В корпусе 2 роторного двигателя 1 по числу роторов 7 установлены кольцевые обоймы 3 с термически обработанными внутренними поверхностями. В корпусе 2 для каждого ротора 7 выполнены по два тарированных входных 4, соединенных с единой питательной магистралью, и два выходных 5, соединенных с единой сливной магистралью (не показано) отверстия. В кольцевых обоймах 3 смонтирован вал 6 с последовательно закрепленными на нем двумя и более роторами 7. При этом количество роторов 7, равное количеству кольцевых обойм 3, выбирают в зависимости от требуемой мощности на выходном валу 6 двигателя 1.

Роторный двигатель работает следующим образом.

Рабочая жидкость под рабочим давлением 60-350 МПа при температуре порядка 45-65°С подается в корпус 2 роторного двигателя 1. При рабочем цикле рабочая жидкость под давлением через два входных тарированных отверстия 4 и два входных канала 18 попадает в гравитационную камеру 20 с термически

- 3 014982 обработанной внутренней поверхностью обоймы 3.

При этом выбор зазоров между обоймой 3 и ротором 7 обеспечивается подпружиненными шиберами 23, которые за счет пружин 22 и воздействия центробежных сил прижимаются к внутренней поверхности обоймы 3.

Под давлением рабочая жидкость через тарированные впускные отверстия 4 и впускные каналы 18 впрыскивается в гравитационную камеру 20 и далее, по передней направляющей стенке 15 в рабочую зону 17 декомпрессионных камер 9. Нечетное количество декомпрессионных камер 9 позволяет избежать ситуации, когда торцевые стенки 10 перемычек 8 ротора 7 с подпружиненными шиберами 23 перекрывают впускные каналы 18 и входные тарированные отверстия 4.

Ламинарный поток рабочей жидкости проходит в сторону вращения ротора 7 по дугообразной кривой к цилиндрической поверхности направляющей стенки 15 и попадает на рабочую стенку 12. На рабочей стенке 12, происходит торможение рабочей жидкости, что снижает потери энергии от удара, сопровождающееся передачей энергии ламинарного потока и превращению ее в кинетическую энергию вращения ротора 7 (роторов во втором варианте), создавая крутящий момент на выходном валу 6.

Форма декомпрессионной камеры 9 при выбранных размерах обеспечивает оптимальный режим энергетического обмена между рабочей жидкостью и ротором 7. Такое исполнение гарантирует исключение развития обратного гидравлического удара в потоке рабочей жидкости при впуске в декомпрессионную камеру 9, а также обеспечивает компенсацию эффекта антигравитационного всплытия ротора 7 на высоких частотах вращения, что также снижает потери мощности на валу 6.

Испытания опытных образцов электрогидродинамических машин роторного типа замкнутого цикла, выполненных в соответствии с предложенными изобретениями, показали, что при обеспечении полного отсутствия промышленных отходов их КПД превышается в 5 раз и более, то есть мощность эффективная генератора значительно больше мощности приводного насоса.

Силовые установки, входящие в состав электродинамической машины роторного типа замкнутого цикла, при полной нагрузке работают тихо и равномерно, без вибраций. Шумность не превышает 100 дБ. Упрощение конструкции устройства, автоматизация процесса возврата и использования энергии обеспечивает возможность привлечения минимум персонала.

Claims (8)

1. Роторный двигатель, содержащий смонтированный в корпусе в кольцевой обойме вал с ротором, на внешней цилиндрической поверхности ротора между радиальными перемычками со скругленными относительно основания поверхностями выполнены декомпрессионные камеры с направляющими и рабочими стенками, образующими рабочую зону, сообщающиеся с гравитационной камерой, образованной ротором и кольцевой обоймой с каналами впуска и выпуска с тарированными входными и выходными отверстиями, отличающийся тем, что в роторе выполнено нечетное количество декомпрессионных камер, предпочтительно пять, каждая декомпрессионная камера дополнительно содержит сегмент, внутренние поверхности которого выполнены по форме ее внутренних стенок, а внешняя поверхность является направляющей стенкой декомпрессионной камеры, убывающей в плане по дугообразной кривой от торцевой поверхности одной перемычки к основанию внутренней скругленной поверхности другой перемычки, являющейся рабочей стенкой декомпрессионной камеры, при этом в перемычках выполнены пазы с размещенными в них подпружиненными в радиальном направлении шиберами.

2. Роторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что выполненные в кольцевой обойме и корпусе выходные тарированные отверстия больше входных тарированных отверстий.

3. Роторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что кольцевая обойма содержит термически обработанную внутреннюю поверхность.

4. Роторный двигатель по п.3, отличающийся тем, что кольцевая обойма выполнена заодно с корпусом роторного двигателя.

5. Роторный двигатель по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что ротор выполнен составным из двух частей, жестко соединенных между собой.

6. Роторный двигатель, содержащий смонтированный в корпусе в кольцевой обойме вал с ротором, на внешней цилиндрической поверхности ротора между радиальными перемычками со скругленными относительно основания поверхностями выполнены декомпрессионные камеры с направляющими и рабочими стенками, образующими рабочую зону, сообщающиеся с гравитационной камерой, образованной ротором и кольцевой обоймой с каналами впуска и выпуска с тарированными входными и выходными отверстиями, отличающийся тем, что в корпусе роторного двигателя, на валу, последовательно закреплены, в кольцевых обоймах каждый, по крайней мере два ротора с нечетным количеством декомпрессионных камер, предпочтительно пятью, каждая декомпрессионная камера дополнительно содержит сегмент, внутренние поверхности которого выполнены по форме ее внутренних стенок, а внешняя поверхность является направляющей стенкой декомпрессионной камеры, убывающей в плане дугообразной

- 4 014982 кривой от торцевой поверхности одной перемычки к основанию внутренней скругленной поверхности другой перемычки, являющейся рабочей стенкой декомпрессионной камеры, при этом в перемычках выполнены пазы с размещенными в них подпружиненными в радиальном направлении шиберами.

7. Роторный двигатель по п.6, отличающийся тем, что выполненные в кольцевой обойме выходные тарированные отверстия больше входных тарированных отверстий.

8. Роторный двигатель по одному из пп.6, 7, отличающийся тем, что каналы впуска рабочей жидкости последовательно закрепленных роторов соединены с единой питательной магистралью, а каналы выпуска соединены с единой сливной магистралью.