ES2207118T3 - Maquina de piston rotativo. - Google Patents

Abstract

PISTON ROTATIVO Y CILINDRO (1) QUE COMPRENDE UN ROTOR (11) Y UN ESTATOR (7), EL ESTATOR (7) DEFINE AL MENOS PARCIALMENTE UN ESPACIO DE CILINDRO ANULAR (9), EL ROTOR (11) COMPRENDE UN CUERPO ROTOR Y AL MENOS UN PISTON (13) QUE DEPENDE FIJAMENTE DEL CUERPO DEL ROTOR Y ES MOVIDO CIRCUNFERENCIALMENTE A TRAVES DEL ESPACIO DEL CILINDRO ANULAR (9) AL GIRAR EL ROTOR (11) CON RESPECTO AL ESTATOR (7), CUERPO DE ROTOR QUE ESTA SELLADO CON RESPECTO AL ESTATOR (7), Y MEDIOS DE CIERRE (3) DEL ESPACIO DEL CILINDRO QUE PUEDE MOVERSE CON RELACION AL ESTATOR A UNA POSICION CERRADA EN LA CUAL LOS MEDIOS DE CIERRE DIVIDEN EL ESPACIO DEL CILINDRO ANULAR (9), Y A UNA POSICION ABIERTA EN LA CUAL LOS MEDIOS DE CIERRE (3) PERMITEN EL PASO DE AL MENOS UN PISTON. EL PISTON ROTATIVO Y EL DISPOSITIVO DE CILINDRO (1) PUEDEN DISPONERSE PARA FUNCIONAR COMO UN MOTOR DE COMBUSTION INTERNA, UNA BOMBA PARA LIQUIDOS, UN MOTOR/ACCIONADOR HIDRAULICO O UNA SUSTITUCION DE TURBINA.

Description

Máquina de pistón rotativo.

Este invento se refiere a dispositivos de pistón y cilindro giratorios que pueden tener, por ejemplo, la forma de un motor de combustión interna, o una bomba tal como un supercargador o bomba de fluido, o como un dispositivo de expansión tal como una sustitución de motor hidráulico o turbina.

El término "pistón" es usado aquí en su más amplio sentido para incluir, cuando el contexto lo admite, una parte capaz de moverse con relación a una pared de cilindro, y tal tabique no necesita generalmente ser de un espesor sustancial en la dirección del movimiento relativo sino que puede tener a menudo la forma de un álabe o paleta.

El documento FR 2660364 describe un dispositivo de pistón y cilindro giratorios en el que pistones que se extienden radialmente hacia dentro son obligados a moverse a través de un espacio anular de cilindro. Hay previsto un disco obturador que sirve para la división del espacio anular del cilindro en dos veces. Tal disposición es en la práctica difícil de realizar de modo que se evite que el disco giratorio impida el paso de los pistones.

De acuerdo con un aspecto del invento se ha creado un dispositivo de pistón y cilindro giratorios que comprende un rotor y un estator, definiendo el estator al menos parcialmente un espacio anular de cilindro, el rotor tiene la forma de un anillo, y comprendiendo el rotor al menos un pistón que generalmente se extiende radialmente hacia dentro desde el anillo rotor al espacio anular de cilindro, estando posicionado el estator interiormente al anillo, en uso al menos un pistón es movido circunferencialmente a través del espacio anular de cilindro a la rotación del rotor con relación al estator, estando el cuerpo del rotor cerrado herméticamente con relación al estator, y comprendiendo además el dispositivo medios obturadores de espacio de cilindro que son capaces de ser movidos con relación al estator a una posición cerrada en la que los medios obturadores dividen el espacio anular de cilindro, y a una posición abierta en la que los medios obturadores permiten el paso de al menos un pistón, comprendiendo los medios obturadores del espacio de cilindro un disco obturador, estando caracterizado el dispositivo porque el disco obturador pasa a través del espacio del cilindro sólo una vez.

El estator puede tener partes que generalmente se extienden radialmente hacia fuera más allá del anillo si se desea.

Preferiblemente el disco obturador presenta un tabique que se extiende sustancialmente de modo radial al espacio anular de cilindro.

Aunque en teoría los medios obturadores podrían moverse en vaivén, se prefiere evitar el uso de componentes que se mueven en vaivén, particularmente cuando se requieren velocidades elevadas, y los medios obturadores son preferiblemente al menos un disco obturador giratorio provisto de al menos una apertura que en el estado abierto de los medios obturadores está prevista para ser posicionada sustancialmente en coincidencia con el ánima que se extiende circunferencialmente del espacio anular de cilindro para permitir el paso de al menos un pistón a través del disco obturador.

Preferiblemente al menos una abertura está prevista radialmente en el disco obturador.

Preferiblemente el rotor está destinado a recibir el disco obturador.

El disco obturador es preferiblemente accionado desde el rotor mediante un medio de transmisión adecuado.

Preferiblemente el eje de rotación del rotor no es paralelo al eje de rotación del disco obturador. Más preferiblemente el eje de rotación del rotor es sustancialmente ortogonal al eje de rotación del disco obturador.

Preferiblemente el pistón está configurado de modo que pase a través de una abertura en el medio obturador móvil, sin pérdida de potencia o reducción de velocidad, cuando la abertura pasa a través del espacio cilíndrico anular.

El cuerpo del rotor está preferiblemente soportado de modo giratorio por el estator en vez de confiar en la cooperación entre los pistones y las paredes del cilindro para posicionar relativamente el cuerpo del rotor y el estator.

Se apreciará que esto es distinto de un dispositivo de pistón tradicional que se mueve en vaivén en el que el pistón es mantenido coaxial con el cilindro por anillos o segmentos de pistón adecuados que dan origen a fuerzas de fricción relativamente elevadas.

El anillo del rotor está preferiblemente soportado de modo giratorio por medios de cojinete adecuados llevados por el estator.

El espacio anular de cilindro puede ser dividido en una pluralidad de espacios anulares de cilindro. Preferiblemente hay al menos un pistón en cada espacio de cilindro.

Preferiblemente los medios de comunicación están previstos entre los espacios de cilindro que comprenden al menos un paso de transferencia.

El paso o pasos de transferencia pueden estar previstos interior o exteriormente en el estator, o interior o exteriormente en el rotor.

Al menos uno de los pasos de transferencia puede estar provisto de válvulas por los medios obturadores.

En una realización el espacio anular de cilindro está dividido en dos espacios anulares de cilindro por la inclusión de una pared central que se extiende circunferencialmente en el estator. Un pistón respectivo está previsto en cada espacio de cilindro.

Un espacio anular de cilindro define un espacio de inducción/compresión, y el otro espacio de cilindro define un espacio de combustión/evacuación. La pared central tiene formado en ella un paso de transferencia que proporciona un medio de comunicación entre un espacio anular de cilindro en un lado del disco obturador y el otro espacio anular de cilindro en el otro lado del disco obturador. El paso de transferencia está configurado de modo que cuando la abertura del disco obturador pasa a través del paso de transferencia, la abertura actúa como una válvula en él.

Hay muchas ventajas para tal diseño de motor. La falta de un tren de válvulas complejo y el hecho de que tiene solamente dos partes móviles debe reducir las pérdidas por fricción. Como las fases de inducción/compresión y combustión/evacuación están físicamente separadas es posible que el primero pudiera ser enfriado en una mayor magnitud, y se devolvería energía al gas desde las paredes del lado de combustión una vez que el gas comprimido hubiera sido transferido entre los espacios de cilindro.

Principalmente esto aumentaría la eficiencia del ciclo, pero también ayudaría con la refrigeración del lado de combustión. Un paso de transferencia relativamente estrecho pueda actuar como un venturi, permitiendo la inducción directa de combustible al gas comprimido (desde un inyector en el lado de combustión del paso de transferencia) a una presión menor de la que de otro modo sería necesario. La inyección directa puede permitir que se utilice una relación de compresión más elevada (y por tanto aumentar la eficiencia del motor). La energía gastada en la puesta a presión de combustible puede ser reducida teniendo un sistema de inyección dividido en el que parte del combustible es inyectada en la lumbrera de entrada (en la que el gas que es inyectado está aproximadamente a presión atmosférica) y el resto del combustible necesario para formar una mezcla de combustible es inyectado al gas comprimido en el paso de transferencia. Esto puede mejorar el mezclado de combustible y permitiría aún que se use una relación de compresión elevada sin el riesgo de que ocurriera una ignición previa si todo el combustible fuera añadido a la lumbrera de entrada.

La geometría circular del motor puede hacer que el combustible sea centrifugado hacia afuera. En el lado de combustión esto posiblemente podría ser controlado con un diseño de inyector, o un dispositivo aerodinámico por el inyector para controlar la cantidad de mezclado. Esto permitiría una estratificación de carga variable (y por tanto permitiría que la potencia disponible fuera variada sin estrangulación o reducción de la sección de paso).

Hay desde luego muchas modificaciones que podrían ser introducidas sin salirse del marco del invento. Por ejemplo, podemos también prever uno o más pasos de transferencia que se extienden exteriormente al estator. El paso de transferencia podría estar provisto de válvula alternativamente por, o en combinación con, una abertura adecuada en el disco obturador. Aún otra posibilidad es la de prever un paso de transferencia en el rotor que llegaría periódicamente a coincidencia con los lumbreras estáticas, proporcionando las lumbreras estáticas comunicación entre los diferentes espacios de cilindro.

Otra posible modificación sería la introducción de una segunda lumbrera en el lado de inducción/compresión para permitir que parte del aire inducido sea rechazado. El control de la cantidad de aire rechazado permitiría la estrangulación o reducción del paso del dispositivo sin las pérdidas de bombeo asociadas con las estrangulaciones tradicionales. Usando esta forma de estrangulación, la relación de compresión es reducida efectivamente, pero la relación de expansión permanece la misma.

Preferiblemente el estator comprende al menos una lumbrera de entrada y al menos una lumbrera de salida.

Preferiblemente al menos una de las lumbreras es sustancialmente adyacente a los medios obturadores.

Preferiblemente al menos una de dichas lumbreras está continuamente abierta. Alternativamente al menos una de dichas lumbreras puede estar provista de válvula.

Dicha lumbreras pueden estar provistas de válvulas por los medios obturadores. Alternativamente las lumbreras pueden estar provistas de válvula por medios de válvula de presión controlada u otros medios de válvula.

Preferiblemente cada pistón comprende medios de cierre hermético.

Preferiblemente los medios de cierre hermético comprenden al menos una tira de cierre hermético.

Preferiblemente cada una de tales tiras de cierre hermético está unida al pistón por medio de al menos un miembro elástico.

Los medios de cierre hermético pueden, alternativamente, comprender un cierre hermético elástico.

Preferiblemente de la tira de cierre hermético y el dispositivo de pistón definen un rebaje.

Preferiblemente el pistón y la tira de cierre hermético comprende partes frontales inclinadas que ayudan a la acumulación de presión en esa región del espacio anular de cilindro que es adyacente a dichas partes frontales inclinadas.

Preferiblemente la relación de la velocidad angular del rotor a la velocidad angular del disco obturador es 1:1.

En una configuración preferida el dispositivo de pistón y cilindro giratorios es un motor de combustión interna.

En otra configuración preferida el dispositivo de pistón y cilindro giratorios es una bomba de fluido.

En otra configuración preferida el dispositivo de pistón y cilindro giratorios es un motor/accionador hidráulico.

El dispositivo de pistón y cilindro giratorios puede ser una sustitución de turbina.

El dispositivo de pistón y cilindro giratorios puede ser un compresor o dispositivo de expansión.

El invento será descrito a continuación adicionalmente, a modo de ejemplo solamente, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La fig. 1 es una vista en perspectiva de una realización de un dispositivo de pistón y cilindro giratorios de acuerdo con el invento en el que el estator ha sido omitido por claridad.

La fig. 2 es una alzado frontal de la realización ilustrada en la fig. 1 en la que el estator está mostrado.

La fig. 3 es una vista en sección transversal de la realización ilustrada en la fig. 1 en la que el pistón ha sido omitido por claridad.

La fig. 4 es un alzado frontal del anillo exterior y pistón para la realización ilustrada en las figs. 1 a 3, y

La fig. 5 es una vista en perspectiva de otra realización de un dispositivo de pistón y cilindro giratorios de acuerdo con el invento en el que el pistón y el estator han sido omitidos por claridad.

Un dispositivo de pistón y cilindro giratorios está mostrado en las figs. 1 a 4. El dispositivo 31 ilustrado comprende un anillo exterior 56, un disco obturador 58 y un estator 60.

El estator 60 comprende un techo o tejado 62 y paredes 64a y 64b. Dicho techo y paredes se extienden circunferencialmente alrededor de un eje de rotación Y-Y. Las paredes 64a y 64b comprenden dos lumbreras 80 y 81, respectivamente, que están situadas junto al disco obturador 58. La lumbrera de entrada y la lumbrera de salida pueden igualmente estar previstas en el techo 62.

El anillo exterior 56 está montado giratoriamente en dicho estator 60 por medios de cojinete adecuados. El anillo exterior 56 está provisto de una superficie interior 68 que está sustancialmente arqueada en el contorno de modo que se acomode al disco obturador 58. La superficie interior 68 y el estator 60 definen un espacio anular 70 de cilindro. Dicho espacio anular de cilindro está cerrado por medio de anillos de cierre hermético (no mostrados). Dicho anillo exterior comprende además un pistón 72 que se extiende generalmente hacia adentro del anillo exterior 56.

El pistón 72 está provisto de una parte de superficie interior 72a y está conformado de manera que permita el movimiento de dicha parte de superficie interior sobre el techo 62.

El disco obturador 58 está provisto de una abertura 76 y el disco obturador está montado dentro del anillo exterior 58 de modo que el disco obturador pase una vez a través del espacio anular 70 de cilindro como se ha ilustrado. El disco obturador tiene un eje de rotación X-X.

Hay previstos medios de transmisión adecuados (no ilustrados) entre el anillo exterior 56 y el disco obturador 58 de modo que ambos giren a la misma velocidad angular.

El pistón está así conformado de modo que cuando tanto el anillo como el disco obturador giran (sustancialmente) a la misma velocidad angular, el pistón es capaz de pasar a través de la abertura sin prohibir interferencia. El tamaño efectivo de la abertura depende del espesor del pistón. Sin embargo, la relación de las velocidades angulares del rotor a la del disco obturador puede ser de 1:2 si estuvieran previstos dos pistones diametralmente opuestos.

La realización descrita puede ser usada como una bomba con una lumbrera de entrada 80 y una lumbrera de salida 81. En este caso, el anillo exterior 56 sería accionado por medio de accionamiento adecuados (no mostrados). Durante el funcionamiento el anillo exterior 56 y el disco obturador 58 girarían y el estator 60 permanecería estacionario.

Como una realización alternativa (no mostrada), puede haber previstas lumbreras de entrada y salida en el anillo exterior 56 y pueden estar provistas de válvulas por aberturas previstas en el alojamiento exterior estático.

Como otra alternativa una o más de las lumbreras de entrada y salida pueden estar provistas de válvulas por una modificación del disco obturador 58. Sin embargo pueden usarse otros medios de válvula adecuados.

Aún como otra alternativa las lumbreras de entrada y salida puede estar previstas en el anillo exterior 56 de modo que más tradicionalmente el anillo exterior 56 permanece estacionario y el disco obturador giratorio 58 y el estator 60 giran dentro del anillo exterior 56.

Una ventaja del pistón y cilindro giratorios del invento es la de la compacidad.

La falta de movimiento de vaivén significa que las fuerzas de aceleración imponen menos de un límite de rpm sobre el dispositivo.

El hecho de que hay solamente dos partes móviles puede reducir las pérdidas por fricción (aumentando la eficiencia) y desgaste (aumentando la vida de trabajo).

El dispositivo 31 de pistón y cilindro giratorios podría estar destinado a ser usado como un motor hidráulico. Alternativamente, si estuvieran previstos medios de comunicación apropiados entre partes diferentes del espacio 70 anular de cilindro, el dispositivo podría ser usado como un motor de combustión.

Otra realización de acuerdo con el invento está mostrada en la fig. 6. En este caso el ángulo entre el eje Y-Y de rotación de anillo del rotor y el eje B-B de rotación del disco obturador es de 45º. Una ventaja de esto es que el pistón unido al anillo exterior está menos inclinado con respecto al eje de rotación del anillo exterior, lo que reduce el empuje lateral sobre el anillo exterior. Otra ventaja de la realización mostrada en la fig. 5 es que las dimensiones exteriores son más reducidas comparadas con el dispositivo 31 de pistón y cilindro giratorios.

El dispositivo podría ser usado como una bomba o motor/accionador hidráulico o como un compresor o dispositivo de expansión con la adición de medios de válvula.

Como otra alternativa, podrían combinarse varios dispositivos descritos, o el espacio de cilindro ser dividido para formar máquinas de múltiples etapas. Esto podría tomar la forma de un motor de combustión, si estuvieran previstos medios de válvula y comunicación apropiados, u otras máquinas tales como compresores de múltiples etapas.

Claims (16)

1. Un dispositivo (31) de pistón y cilindro giratorios que comprende un rotor y un estator (60), definiendo el estator (60) al menos parcialmente un espacio anular (70) de cilindro, el rotor tiene la forma de un anillo (56), y comprendiendo el rotor al menos un pistón que generalmente se extiende radialmente hacia dentro desde el anillo de rotor (58) al espacio anula (70) de cilindro, estando posicionado el estator (60) interiormente al anillo (56), en uso al menos un pistón (72) es movido circunferencialmente a través del espacio anular (9) de cilindro en rotación del rotor con relación al estator (60), estando el cuerpo del rotor cerrado herméticamente con relación al estator, y comprendiendo además el dispositivo medios obturadores (58) de espacio cilíndrico que son capaces de ser movidos con relación al estator a una posición cerrada en la que los medios obturadores dividen el espacio anular de cilindro, y a una posición abierta en la que los medios obturadores permiten el paso de al menos un pistón, comprendiendo los medios obturadores del espacio de cilindro un disco obturador y estando caracterizado el dispositivo porque el disco obturador pasa a través del espacio de cilindro sólo una vez.

2. Un dispositivo (31) de pistón y cilindro giratorios según la reivindicación 1ª en el que el disco obturador (58) presenta un tabique que se extiende sustancialmente de modo radial en el espacio anular (70) de cilindro.

3. Un dispositivo (31) de pistón y cilindro giratorios según cualquier reivindicación precedente en el que el disco obturador (58) es un disco obturador giratorio provisto de al menos una abertura (76) que en el estado abierto de los medios obturadores está prevista para ser posicionada sustancialmente en coincidencia con el ánima que se extiende circunferencialmente del espacio anular (70) de cilindro para permitir el paso del pistón (72) a través del disco obturador.

4. Un dispositivo (31) de pistón y cilindro giratorios según la reivindicación 3ª en el que al menos una abertura (76) está prevista radialmente en el disco obturador (58).

5. Un dispositivo (31) de pistón y cilindro giratorios según la reivindicación 4ª en el que el eje de rotación del rotor no es paralelo al eje de rotación del disco obturador (58).

6. Un dispositivo (31) de pistón y cilindro giratorios según la reivindicación 5ª en el que el eje de rotación del rotor es sustancialmente ortogonal al eje de rotación del disco obturador (58).

7. Un dispositivo (31) de pistón y cilindro giratorios según cualquier reivindicación precedente en el que el espacio anular (70) de cilindro está dividido en una pluralidad de espacios anulares de cilindro.

8. Un dispositivo (31) de pistón y cilindro giratorios según la reivindicación 7ª en el que hay al menos un pistón en cada espacio de cilindro.

9. Un dispositivo (31) de pistón y cilindro giratorios según la reivindicación 7ª u 8ª en el que hay previstos medios de comunicación entre los espacios anulares de cilindro.

10. Un dispositivo (31) de pistón y cilindro giratorios según la reivindicación 9ª en el que los medios de comunicación comprenden al menos un paso de transferencia.

11. Un dispositivo (31) de pistón y cilindro giratorios según la reivindicación 10ª en el que al menos hay previsto un paso de transferencia interiormente al estator (60).

12. Un dispositivo (31) de pistón y cilindro giratorios según la reivindicación 10ª en el que al menos hay previsto un paso de transferencia exteriormente al estator (60).

13. Un dispositivo (31) de pistón y cilindro giratorios según cualquiera de las reivindicaciones 10ª a 12ª en el que al menos un paso de transferencia está provisto de válvulas por los medios obturadores (58).

14. Un dispositivo (31) de pistón y cilindro giratorios según cualquier reivindicación precedente, que comprende una lumbrera de entrada (80) y una lumbrera de salida (81) que están previstas en el anillo del rotor (56).

15. Un dispositivo (31) de pistón y cilindro giratorios según la reivindicación 14ª, en el que al menos una de las lumbreras de entrada (80) y la lumbrera de salida (81) están provistas de válvulas por aberturas en el estator.

16. Un dispositivo (32) de pistón y cilindro giratorios según cualquiera la reivindicaciones 1ª a 13ª, en el que el dispositivo comprende una lumbrera provista de válvula.