PL197854B1 - Maszyna o tłoku obrotowym - Google Patents

Abstract

1. Maszyna o t loku obrotowym zawieraj aca obudow e maj ac a wn ek e, t lok obrotowy osadzony w obudowie, który to t lok obrotowy ma o s obrotu i powierzchni e obwodow a, kana ly wlotowe i kana ly wylotowe po laczone z t a wn ek a, jedn a lub szereg lopatek przesuwnych promieniowo w szczelinach w t loku obrotowym, przy czym ka zda lopatka przechodzi promieniowo od powierzchni wewn etrznej obudowy do osi obrotu t loka obrotowego, co najmniej jedn a robocz a komor e spr ezania b edac a cz esci a tej wn eki i okre- slon a przez powierzchni e wewn etrzn a obudowy, po- wierzchni e obwodow a t loka obrotowego i powierzchni e boczn a co najmniej jednej lopatki, przy czym ka zda lopatka polaczona jest przegubowo doko la osi obrotowej z jednym ko ncem ramienia steruj acego, które w drugim swoim ko ncu podparte jest obrotowo w nieruchomej pó losi maj acej o s centraln a pokrywaj ac a si e z osi a przechodz ac a centralnie przez wn ek e obudowy, która to o s centralna jest równoleg la do i przesuni eta o pewn a odleg losc od osi obrotu t loka obrotowego, a tlok obrotowy tworzy zespó l poboru mocy lub odbioru mocy, znamienna tym, ze ka zde zako nczenie lopatki (1bt) opisuje wycinek powierzchni cylindrycznej maj acy srodek krzywizny w osi obrotowej (C) przechodz a- cej przez polaczenie, które laczy lopatk e (1) z ramieniem steruj acym (7) podpartym z drugiej swojej strony w nieru- chomej pó losi (8). PL PL PL PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest maszyna o tłoku obrotowym. Maszyna taka zawiera obudowę mającą wnękę oraz tłok obrotowy osadzony w tej obudowie, który to tłok obrotowy ma oś obrotu i powierzchnię obwodową, kanały wlotowe i wylotowe, które połączone są z tą wnęką, jedną lub większą ilość łopatek przesuwnych promieniowo w szczelinach wykonanych w tłoku obrotowym, przy czym każda łopatka przechodzi promieniowo od powierzchni wewnętrznej obudowy do osi tłoka obrotowego i co najmniej jedną komorę roboczą , która stanowi część wnę ki i okreś lona jest przez powierzchnię wewnętrzną obudowy, powierzchnię obwodową tłoka obrotowego i powierzchnię boczną z co najmniej jedną łopatką.

Maszyna o tłoku obrotowym jest maszyną termodynamiczną, która w wyniku pewnych modyfikacji może być wykorzystana jako silnik spalinowy, wymiennik ciepła, pompa, pompa próżniowa i sprężarka. Maszyna obrotowa może być zmontowana z kilku zespołów i zostać ustawiona szeregowo tak, aby mogła być wykorzystana jako zespół sprężarkowy i zespół silnika spalinowego w silniku z doładowaniem. Na począ tku należy zaznaczyć, że maszyna obrotowa nie posiada wału korbowego oraz że dostarczanie do lub odbieranie z takiej maszyny mocy odbywa się bezpośrednio do lub z tłoka obrotowego.

Silniki spalinowe ze stanu techniki mające tłok obrotowy skonstruowane są jako silniki o tłoku obrotowym. W takich rozwiązaniach tłok obrotowy obraca się i tłok ten jest w postaci tłoka obrotowego mającego łukowy kształt trójkątny, w pierścieniowym otworze cylindrycznym. Takie silniki spalinowe wykazują, poza skomplikowaną budową, tę niedogodność, że tłok obrotowy posiada problemy ze szczelnością na ściance cylindrycznej. Ponadto, tego rodzaju silniki spalinowe odznaczają się znacznym zużyciem paliwa.

Silnik spalinowy ze stanu techniki zawierający obudowę silnika mającą komorę roboczą, która mieści w sobie obracający się stale tłok obrotowy oraz wlot i wylot gazów, znany jest z niemieckiego opisu patentowego DE-3011399. Tłok ten jest zasadniczo cylindryczny i obraca się w eliptycznie ukształtowanej wnęce, która zawiera komory spalania, położone diametralnie przeciwległe, określone przez powierzchnię tłoka obrotowego i wewnętrzną powierzchnię wnęki. Tłok obrotowy zaprojektowany jest z promieniowo przechodzącymi szczelinami, które mieszczą w sobie i prowadzą tłoki łopatkowe, które mogą ślizgać się promieniowo w kierunku na zewnątrz i do wewnątrz w szczelinach ślizgowych. Łopatki połączone są przegubowo za pomocą pręta łączącego z czopem korbowym, który ponadto jest częścią obrotowego wału korbowego. Przy obrocie tłoka obrotowego, łopatki tłoka poruszają się promieniowo w kierunku na zewnątrz i do wewnątrz w szczelinach ślizgowych z uwagi na stałe podparcie na czopie korbowym. Tak więc, jeden zespół łopatek pracuje w jednej części wnęki, to jest w komorze spalania podczas, gdy drugi zespół łopatek pracuje w komorze położonej po przeciwległej stronie.

Amerykański opis patentowy US 4 451 219 ujawnia silnik parowy o tłoku obrotowym mający dwie komory, który nie posiada zaworów. Także i ten silnik ma dwa zestawy łopatek tłokowych z trzema łopatkami w każdym zestawie. Każdy zestaw łopatek tłokowych obraca się dokoła swojego punktu mimośrodowego na nieruchomym wale korbowym wewnątrz eliptycznej obudowy silnika. Tłok typu bębnowego jest centralnie zamontowany w obudowie silnika i wyznacza dwie diametralnie przeciwległe położone i promieniowo pracujące komory. Dwa zespoły łopatek tłokowych przesuwają się zasadniczo promieniowo w kierunku na zewnątrz i do wewnątrz w szczelinach ślizgowych wykonanych w tłoku, zgodnie z powyżej opisanym silnikiem. Łopatki są także tutaj usytuowane w środkowych końcach podpartych w mimośrodowo położonych wałach krótkich, osadzonych na stałe. Jednak, łopatki te nie są połączone przegubowo, ale zamontowane są obrotowo na przeciwległym końcu osadzonym w łożysku na obwodzie tłoka obrotowego.

Znane są także sprężarki i pompy typu łopatkowego. Amerykański opis patentowy US 4 451 218 odnosi się do pompy łopatkowej mającej łopatki sztywne i tłok obrotowy, który podparty jest mimośrodowo w obudowie pompy. Tłok obrotowy posiada szczeliny, w których łopatki przesuwają się promieniowo i są przez nie prowadzone. W rozwiązaniu tym, na każdej stronie szczelin ślizgowych przewidziane są uszczelnienia.

Amerykański opis patentowy US 4 385 873 pokazuje silnik o tłoku obrotowym typu łopatkowego, który może być używany jako silnik elektryczny, sprężarka lub pompa. Ten silnik także posiada mimośrodowo zamontowany tłok obrotowy, przez który promieniowo przechodzi szereg sztywnych łopatek.

PL 197 854 B1

Dalsze przykłady rozwiązań ze stanu techniki ujawnione są w amerykańskim opisach patentowych US 4 767 295 i US 5 135 372.

Jednym z celów niniejszego wynalazku jest zapewnienie silnika o tłoku obrotowym o dużej wydajności, niskim zużyciu paliwa i niskiej emisji szkodliwych substancji, takich jak tlenek węgla, gazy azotawe i nie spalone węglowodory.

Innym celem niniejszego wynalazku jest zapewnienie maszyny o tłoku obrotowym mającej zwartą konstrukcję, to jest małą objętość skokową i małe gabaryty w stosunku do mocy wyjściowej.

Zgodnie z wynalazkiem, maszyna o tłoku obrotowym zawierająca obudowę mającą wnękę, tłok obrotowy osadzony w obudowie, który to tłok obrotowy ma oś obrotu i powierzchnię obwodową, kanały wlotowe i kanały wylotowe połączone z tą wnęką, jedną lub szereg łopatek przesuwnych promieniowo w szczelinach w tłoku obrotowym, przy czym każda łopatka przechodzi promieniowo od powierzchni wewnętrznej obudowy do osi obrotu tłoka obrotowego, co najmniej jedną roboczą komorę sprężania będącą częścią tej wnęki i określoną przez powierzchnię wewnętrzną obudowy, powierzchnię obwodową tłoka obrotowego i powierzchnię boczną co najmniej jednej łopatki, przy czym każda łopatka połączona jest przegubowo dokoła osi obrotowej z jednym końcem ramienia sterującego, które w drugim swoim końcu podparte jest obrotowo w nieruchomej półosi mającej oś centralną pokrywającą się z osią przechodzącą centralnie przez wnękę obudowy, która to oś centralna jest równoległa do i przesunięta o pewną odległość od osi obrotu tłoka obrotowego, a tłok obrotowy tworzy zespół poboru mocy lub odbioru mocy, charakteryzuje się tym, że każde zakończenie łopatki opisuje wycinek powierzchni cylindrycznej mający środek krzywizny w osi obrotowej przechodzącej przez połączenie, które łączy łopatkę z ramieniem sterującym podpartym z drugiej swojej strony w nieruchomej półosi.

Ideą takiego rozwiązania jest to, aby zakończenie łopatki, wzdłuż linii przechodzącej równolegle do osi tłoka obrotowego było, w każdej chwili, styczne do wewnętrznej powierzchni wnęki, jednak bez dotykania tej powierzchni. Ta linia będzie przesuwana na zakończeniu łopatki podczas obrotu tłoka obrotowego i opisywać będzie w każdej chwili powierzchnię cylindryczną, która w przybliżeniu jest podobna do powierzchni wewnętrznej obudowy z różnicą tolerancji, która występuje jedynie pomiędzy zakończeniem łopatki i powierzchnią wewnętrzną obudowy. Tolerancja pomiędzy zakończeniem łopatki i powierzchnią wewnętrzną wnęki powinna być tak mała jak jest to tylko możliwe.

W szczególnie korzystnym przykładzie wykonania, długość łuku wycinka powierzchni cylindrycznej, a zatem i grubość każdej łopatki, określona jest zależnościami geometrycznymi, to jest promieniem krzywizny R4 dla wycinka powierzchni cylindrycznej, odległością R3 pomiędzy osią centralną B wnęki a osią obrotową C oraz odległością d pomiędzy osią obrotu A i osią centralną B, zgodnie z przybliż onym równaniem t = 2 · (R4/R3) · d. Przy wystą pieniu tych zale ż noś ci geometrycznych, uzyskuje się konstrukcję optymalną powodującą, że zakończenie łopatki w każdej chwili jest styczne do powierzchni wewnętrznej wnęki podczas pełnego obrotu tłoka obrotowego i rozwiązanie według takiego przykładu wykonania będzie mogło pracować odpowiednio bez potrzeby stosowania uszczelnień.

Należy odnotować, że grubość łopatki może być większa, bez konieczności zapewnienia uszczelnienia na powierzchni wewnętrznej wnęki. Jeśli jednak grubość łopatki jest mniejsza od wielkości optymalnej, nie nastąpi zetknięcie zakończenia łopatki z powierzchnią wewnętrzną wnęki w części obrotu łopatki z tłokiem obrotowym i wtedy potrzebne będzie zwykle zapewnienie uszczelnienia na zakończeniu łopatki. Im cieńsza jest łopatka, w odniesieniu do wielkości optymalnej, tym dłuższy jest obszar braku styczności zakończenia łopatki z powierzchnią wewnętrzną wnęki.

Korzystnie, w niektórych przykładach wykonania pomiędzy zakończeniem łopatki i powierzchnią wewnętrzną obudowy maszyna, według wynalazku, posiada elementy uszczelniające.

Korzystnie, elementy uszczelniające usytuowane są pomiędzy szczelinami prowadzącymi łopatek i co najmniej jedną z powierzchni bocznych tych łopatek.

Korzystnie, elementy uszczelniające usytuowane są pomiędzy powierzchnią wewnętrzną obudowy i powierzchnią obwodową tłoka obrotowego w miejscu, w którym powierzchnie te są styczne do siebie.

Korzystnie, szczeliny prowadzące łopatek zawierają łożyska ślizgowe, które współpracują z tymi łopatkami.

Korzystnie, powierzchnia obwodowa tłoka obrotowego przecina w poprzek danego wycinka powierzchnię wewnętrzną obudowy tworząc wnękę w powierzchni wewnętrznej obudowy tej maszyny.

Korzystnie, maszyna ponadto zawiera co najmniej jeden zespół sprężarkowy, który obraca się wspólnie z odpowiadającym mu zespołem silnika spalinowego i posiada oddzielną komorę sprężania,

PL 197 854 B1 odrębny tłok obrotowy i oddzielne łopatki oraz kanały, które łączą poszczególne komory sprężania i komorę spalania.

Korzystnie, nieruchoma półoś jest podparta i ustalona na swoim swobodnym końcu przez tłok obrotowy za pomocą łącznika mimośrodowego.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 pokazuje, w widoku perspektywicznym, jeden przykład wykonania maszyny o tłoku obrotowym w postaci silnika spalinowego i dwóch przylegających zespołów sprężarkowych, po jednym z każdej strony silnika, w stanie zmontowanym, fig. 2 pokazuje maszynę o tłoku obrotowym po zdjęciu jednej z płyt wierzchnich, fig. 3 pokazuje maszynę o tłoku obrotowym z fig. 2 po usunięciu łożyska krańcowego, fig. 4 pokazuje maszynę o tłoku obrotowym z fig. 3 po zdjęciu innej części obudowy, fig. 5 pokazuje maszynę o tłoku obrotowym z fig. 4 po zdjęciu kolejnej części obudowy, fig. 6 pokazuje maszynę o tłoku obrotowym z fig. 5 po zdjęciu dalszej części obudowy, fig. 7 pokazuje maszynę o tłoku obrotowym z fig. 6 ze zdjętą jedną połową tłoka obrotowego i widok zespołu łopatkowego tłoka obrotowego, fig. 8 pokazuje maszynę o tłoku obrotowym z fig. 7 po wyjęciu zespołu łopatkowego tłoka i widok drugiej połowy obudowy tłoka obrotowego pozostającej w tej obudowie, a także półoś zamocowaną mimośrodowo w tej obudowie, fig. 9 pokazuje maszynę o tłoku obrotowym z fig. 8 po usunięciu ostatniej części tłoka obrotowego, fig. 10 pokazuje maszynę o tłoku obrotowym po zdjęciu innej części obudowy, fig. 11 pokazuje maszynę o tłoku obrotowym po zdjęciu jeszcze innej części obudowy i widok pokrywy na drugim końcu wraz z mimośrodowo osadzoną półosią, fig. 12 przedstawia mimośrodową półoś, fig. 13 przedstawia złożony zespół łopatkowy tłoka obrotowego zawierający trzy części z łopatkami, fig. 14 przedstawia zespół łopatkowy z fig. 13 po rozłożeniu, fig. 15 przedstawia jedną połowę obudowy tłoka obrotowego w widoku od zewnątrz, fig. 16 przedstawia tę samą połowę tłoka obrotowego jak na fig. 15, ale w widoku od wewnątrz, fig. 17 przedstawia dolną połowę obudowy tłoka obrotowego w widoku od wewnątrz, fig. 18 pokazuje dolną połowę obudowy tłoka obrotowego w widoku od zewnątrz, fig. 19 pokazuje widok poglądowy drugiego przykładu wykonania maszyny o tłoku obrotowym w postaci sprężarki lub pompy, mającej cztery łopatki według wynalazku, fig. 20 przedstawia inny przykład wykonania maszyny o tłoku obrotowym z czterema łopatkami, w której powierzchnia obwodowa tłoka obrotowego przecina w poprzek część powierzchni wewnętrznej obudowy, według wynalazku, fig. 21 przedstawia widok poglądowy jeszcze innego przykładu wykonania maszyny o tłoku obrotowym mającej tylko jedną łopatkę, a fig. 22 przedstawia mimośrodowy łącznik, który podpiera tłok obrotowy mimośrodowo położony względem wnęki obudowy.

Figura 1 przedstawia jeden przykład wykonania maszyny o tłoku obrotowym według wynalazku. Jednak, należy zauważyć, że jest to przykład wykonania maszyny, która jest złożona z zespołu silnika spalinowego i dwóch zespołów sprężarkowych, po jednym z każdej strony zespołu silnika spalinowego i w którym wszystkie zespoły obracają się wspólnie. Ponadto, należy odnotować, że silnik jest zaprojektowany i wykonany z taką dokładnością, że stosowanie uszczelnień ograniczone jest do minimum. Rozważane jest jedynie stosowanie uszczelnień labiryntowych. Dalsze próby wykażą to i przypuszczalnie co najmniej kilka rozwiązań pracujących odpowiednio bez uszczelnień i bez smarowania, z wyjątkiem łożysk, które są uszczelnione i wstępnie smarowane. Materiałami konstrukcyjnymi mogą być różnego gatunku stale, ale do niektórych zastosowań odpowiednie też będą tworzywa sztuczne i teflon.

Maszyna o tłoku obrotowym 10 reprezentuje na fig. 1-18 silnik spalinowy z doładowaniem. Silnik zawiera obudowę 5 mającą szereg wewnętrznych powierzchni cylindrycznych, które otaczają mimośrodowo położony tłok obrotowy 2, gdzie część przekazująca moc wyjściową tłoka obrotowego 2 zilustrowana została na rysunku. Należy zaznaczyć, że silnik nie posiada wału korbowego, a moc pobierana jest bezpośrednio z tłoka obrotowego 2. Tłok obrotowy 2 obraca się dokoła osi obrotu A. Obudowa 5 jest skonstruowana z szeregu płyt mających zbliżoną grubość i zewnętrzną konfigurację. Obudowa 5 może jednak być wytwarzana w postaci dwóch połówek, które składane są ze sobą. Wybór sposobu wytwarzania obudowy należy do specjalisty z tej dziedziny.

Maszyna o tłoku obrotowym 10 zawiera ponadto kanały wlotowe 3 dla paliwa i mieszanki powietrznej i kanały wylotowe 4 dla spalin. Poszczególne części obudowy 5 połączone są ze sobą za pomocą śrub przechodzących przez otwory 13 w każdym narożu obudowy 5. Poszczególne płyty, z których zbudowana jest obudowa 5 oznaczone został y numerami 5a do 5g. Tak wię c, pł yta na górze jest wierzchnią płytą 5a, a płyta na dole jest spodnią płytą 5g.

Figura 2 pokazuje maszynę o tłoku obrotowym 10 z fig. 1, ale w sytuacji, gdy zdjęta została wierzchnia płyta 5a, przez co uwidocznione zostało krańcowe łożysko 14. Od wewnątrz wierzchniej

PL 197 854 B1 płyty 5a wykonany jest otwór kołowy do osadzenia w nim łożyska 14. Łożysko 14 działa zatem jako końcowa podpora dla tłoka obrotowego 2.

Figura 3 pokazuje maszynę z fig. 2, z wyjątkiem tego, że krańcowe łożysko 14 zostało zdjęte z końca tłoka obrotowego 2, w ten sposób bardziej odsłaniając ten tłok.

Figura 4 pokazuje maszynę z fig. 3, ale w sytuacji, gdy została zdjęta druga płyta 5b obudowy 5, przez co bardziej widoczny jest tłok obrotowy 2 oraz odsłonięte zostały łopatka 1a tłoka obrotowego i kanał wlotowy 3. Kanał wlotowy 3 przechodzi od zewną trz obudowy 5 silnika do komory 9a znajdują cej się wewnątrz obudowy 5. Ta część tłoka obrotowego 2 mająca łopatki 1a i część obudowy w postaci płyty 5c, uwidoczniona na fig. 4, tworzy pierwszy zespół sprężarkowy, który obraca się dokoła osi obrotu A.

Na figurze 5 została zdjęta kolejna część w postaci płyty 5c obudowy 5, odsłaniając dalsze części tłoka obrotowego 2. Tak pokazana została łopatka 1b tłoka obrotowego 2, która biegnie w komorze 9b i razem z tą częścią tłoka obrotowego 2 tworzy zespół silnika spalinowego. Od komory 9b w zespole silnika spalinowego odprowadzony jest kanał wylotowy 4, który oprowadza spaliny na zewnątrz.

Na figurze 6 została zdjęta inna płyta 5d obudowy 5, przez co jeszcze bardziej widoczny jest zespół silnika spalinowego.

Na figurze 7 zdjęta została górna część 2a tłoka obrotowego 2, przez co lepiej widać zespół łopatkowy i jego poszczególne łopatki 1a i 1b. Zespół łopatkowy zawiera, w pokazanym przykładzie wykonania, trzy łopatki 1a zespołu sprężarkowego i trzy łopatki 1b silnika spalinowego. Każda łopatka 1a, 1b jest przegubowo połączona jednym końcem z ramieniem sterującym 7, które na swoim drugim końcu podparte jest obrotowo na nieruchomej półosi 8 mającej oś centralną B położoną współosiowo z osią wzdłużną obudowy 5 silnika, co pokazane jest to w całości na fig. 8-12. Ramiona sterujące 7 nie przenoszą żadnej mocy, ale zapewniają, że każda łopatka 1a, 1b, 1c znajduje się w ruchu wymuszonym, aby przesuwać się promieniowo w kierunku do środka i w kierunku na zewnątrz w szczelinach prowadzących 11 w tłoku obrotowym 2 tak, że zakończenia łopatek, w każdej chwili podczas obrotu tłoka obrotowego 2 pozostają styczne do wewnętrznych powierzchni obudowy. Na fig. 7 pokazany jest też łącznik mimośrodowy 6, który zostanie opisany poniżej, w odniesieniu do fig. 22. Inny zespół sprężarkowy znajduje się pod zespołem silnika spalinowego i w całości jest podobny do górnego zespołu sprężarkowego.

Na figurze 8 pokazana została dolna część 2b tłoka obrotowego 2 po zdjęciu zespołu łopatkowego. Na tej figurze rysunku przejrzyście pokazane zostały promieniowo przechodzące szczeliny 11, w których przemieszczają się poszczególne łopatki 1a, 1b, 1c. Jak nadmieniono, nieruchoma półoś 8 przechodzi centralnie we wnęce 9 obudowy 5. Oś obrotu A tłoka obrotowego 2 przechodzi równolegle do osi centralnej B obudowy 5, ale biegnie mimośrodowo w stosunku do osi centralnej B obudowy 5. Ta mimośrodowość zilustrowana została na fig. 7, gdzie pokazano zarówno oś obrotu A, jak i oś centralną B. Dzięki tej mimośrodowości uzyskiwany jest ruch promieniowy lub wymuszony ruch poszczególnych łopatek 1a, 1b, 1c w kierunku do środka lub w kierunku na zewnątrz w odpowiednich szczelinach prowadzących 11 w tłoku obrotowym 2.

Figura 9 przedstawia wnękę 9 w obudowie 5 silnika, po zdjęciu dolnej części 2b tłoka obrotowego 2.

Figura 10 pokazuje silnik po zdjęciu jeszcze kolejnej płyty 5e obudowy.

Figura 11 pokazuje spodnią płytę 5g po zdjęciu z niej płyty 5f.

Figura 12 pokazuje nieruchomą półoś 8 przymocowaną do nieruchomego kołnierz końcowego 15.

Figura 13 pokazuje zespół łopatkowy po złożeniu, w chwili, gdy ma być założony na nieruchomą półoś 8. Jak nadmieniono, zespół łopatkowy składa się z łopatki 1b silnika spalinowego i dwóch łopatek 1a i 1c zespołu sprężarkowego położonych z każdej strony łopatki 1b silnika spalinowego. Każdy zestaw łopatek 1a, 1b, 1c jest połączony przegubowo z odpowiednim ramieniem sterującym 7. Gdy zespół łopatkowy składa się z trzech zestawów łopatek, okazuje się, że korzystne jest ustawienie ramienia sterującego 7 przy zachowaniu różnej odległości od siebie każdego zespołu łopatek 1a, 1b, 1c, co zilustrowano na fig. 14. Każde ramię sterujące 7 posiada łożysko 16, które umożliwia obrót dokoła nieruchomej półosi 8 zarówno zespołowi łopatek 1a, 1b, 1c, jak i każdemu ramieniu sterującemu 7.

Ponadto, każdy zespół łopatek składa się połączenia przegubowego w postaci sworznia 17 o osi obrotowej C, który wprowadzony jest pomiędzy zespół ł opatek 1a, 1b, 1c i dwa ramiona sterujące 7.

Należy zauważyć, że w obecnie rozpatrywanym przykładzie wykonania silnika, zachodzą pewne zawiązki pomiędzy grubością t każdej łopatki, odległością pomiędzy osią obrotową C i osią central6

PL 197 854 B1 ną B oraz mimośrodowością tłoka obrotowego 2 w stosunku do obudowy 5, to jest odległością pomiędzy osią obrotu A i osią centralną B. To jest konieczne, aby zakończenia łopatek 1bt przechodziły z wstę pnie okreś loną odległ o ścią i minimalnym luzem, po wewnę trznej powierzchni 20 obudowy 5. Ponadto, powierzchnia zakończeń łopatek 1bt musi być łukowa tak, aby powierzchnia ta w sposób ciągły przemieszczała się lub była styczna do wewnętrznej powierzchni 20 obudowy 5 z małym luzem. Punkt styczności przesuwa się jednak wzdłuż powierzchni hakowej zakończenia łopatki 1bt i ma charakter ruchu wadliwego po wewnętrznej powierzchni 20. Aby do tego doprowadzić, powierzchnia zakończeń łopatek 1bt ma środek krzywizny leżący w osi obrotowej C, która łączy łopatkę 1b z ramieniem sterującym 7, co będzie łatwiejsze do zrozumienia po zapoznaniu się z fig. 19-21. Te same związki, jak te opisane powyżej, występują w przypadku łopatek 1a i 1c zespołu sprężarkowego mających własną grubość, inne odległości i krzywizny zakończeń łopatek.

Powierzchnie zakończeń łopatek mogą być zaopatrzone w odpowiednie elementy uszczelniające do sprzęgnięcia z wewnętrzną powierzchnią 20 obudowy 5. Jednak jest bardziej korzystne, aby nie było żadnej styczności pomiędzy tymi powierzchniami, a zatem odpowiednie rozwiązanie może w niezbędnym zakresie zawierać na powierzchni zakończeń łopatek uszczelnienia labiryntowe.

Figura 15 pokazuje górną część tłoka obrotowego 2, która tworzy piastę dla mocy wyjściowej, natomiast fig. 16 pokazuje tę samą część po odwróceniu tak, że widoczne są wewnętrzna wnęka 9 i szczeliny prowadzą ce 11a, w których górne ł opatki 1a przesuwają się promieniowo w kierunku do środka i na zewnątrz.

Figura 17 pokazuje dolną część 2b tłoka obrotowego 2 w widoku od wewnątrz, a fig. 18 przedstawia tę samą część w widoku od zewnątrz wraz z odpowiednimi szczelinami ślizgowymi 11b przewidzianymi dla łopatek 1b silnika spalinowego i szczelinami ślizgowymi 11c dla łopatek 1c na dolnym zespole sprężarkowym.

Obecnie zostanie opisane działanie silnika, w nawiązaniu do fig. 4-6. Jak zauważono wcześniej, przedstawiony przykład wykonania wynalazku pokazuje silnik spalinowy mający zespół sprężarkowy z każdej strony. Tłok obrotowy 2 obraca się dokoła swojej osi obrotu A w kierunku zaznaczonym strzałką R na fig. 4. Podczas obrotu tłoka obrotowego 2, łopatki 1a zespołu sprężarkowego, które pracują w komorze 9b ciągną mieszankę paliwowo-powietrzną przez kanał wlotowy 3 do komory 9b. Okres zasysania rozpoczyna się, gdy łopatka 1a przechodzi przez wlot kanału wlotowego 3 prowadzącego do komory 9b i trwa dopóki następna łopatka nie przejdzie przez ten sam wlot. Bok łopatki 1a, który zwrócony jest w przeciwną stronę względem obrotu, tworzy bok ssawny, co powoduje, że gdy łopatki 1a zespołu sprężarkowego mijają wlot kanałów wlotowych 3 do komory 9a, bok ciśnieniowy łopatki 1a zespołu sprężarkowego rozpoczyna swoją pracę sprężania, podczas gdy przeciwległy bok zaczyna swoją pracę zasysania. Ponieważ komora 9a jest stożkowa tak, że powierzchnia wewnętrzna 20 obudowy jest zbieżna w kierunku powierzchni obwodowej 21 tłoka obrotowego, operacja sprężania uzyskiwana jest w znany sposób, gdy łopatki 1a zostają przemieszczone w komorze 9a.

Ponadto, pomiędzy komorą 9a sprężania i komorą 9b spalania w zespole silnika spalinowego wykonane są kanały, które usytuowane są obok zespołu sprężarkowego w następnej „warstwie”, jak to pokazano na fig. 5 i fig. 6. Każdy kanał przechodzi od najwęższej części komory 9a sprężania i otwarty jest w kierunku komory 9b spalania, od którego to miejsca komora jest szersza i tworzy wraz z łopatkami komorę rozprężeniową. Kanał lub kanały mogą być usytuowane w odpowiednich miejscach, jak w korpusie obudowy 5 silnika lub w tłoku obrotowym z łopatkami 1a, 1b pracującymi jako zawory dla wpuszczenia mieszanki paliwowej we właściwym momencie. Na fig. 6 oznacznikiem liczbowym 12 zaznaczony został wylot kanału biegnącego od dolnej komory 9c sprężania do komory 9b spalania. Analogiczny wylot wykonany jest w obudowie 5 i biegnie od górnej komory 9a sprężania, co nie zostało pokazane na rysunku. Kanały te jednak połączone są z mniejszymi wnękami 18 znajdującymi się w tłoku obrotowym 2 dla natychmiastowego przekazywania ciśnienia z komory 9a sprężania do komory 9b spalania. Tak więc, wyloty 12 i wnęki pracują względem siebie jak zawory.

Zapłon mieszanki paliwowej następuje w przybliżeniu w obszarze, w którym znajduje się wnęka 18, jak to pokazano na fig. 6 i w chwili, gdy do tego miejsca zbliża się łopatka 1b. Gdy tłok obrotowy 2 i łopatki 1b zostają przemieszczone o pewien łuk kołowy odpowiadający fazie rozprężania, kanał wylotowy 4 dla wydmuchu zostaje otwarty i wydmuch przedostaje się do otoczenia.

Jak należy rozumieć, mieszanka paliwowo-powietrzna dostarczana jest do zespołu silnika spalinowego z obu stron, to jest zarówno od strony górnego i dolnego zespołu sprężarkowego. W innych wykonaniach wynalazku, może być tylko jeden zespół sprężarkowy, zewnętrzny zespół sprężarkowy

PL 197 854 B1 lub zespół taki może być całkowicie wyeliminowany. Liczba zespołów łopatek może ulegać zmianie w zależ noś ci od tego co zostanie uznane za odpowiednie rozwią zanie dla danego zastosowania.

Figura 19 pokazuje przykład wykonania zespołu sprężarkowego według wynalazku z czterema łopatkami. Tak jak w wyżej opisywanym przykładzie wykonania, rozwiązanie to posiada, schematycznie zaznaczoną, obudowę 5, tłok obrotowy 2 oraz cztery łopatki 1, które przesuwają się promieniowo w kierunku na zewnątrz i do wewnątrz w szczelinach prowadzących 11 wykonanych w tłoku obrotowym 2. Obudowa 5 posiada wnękę 9 mającą środek leżący w osi centralnej B oraz powierzchnię wewnętrzną 20, która niemal styka się z powierzchniami końcowymi łopatek 1.

Tłok obrotowy 2 posiada zewnętrzną powierzchnię obwodową 21 i obraca się dokoła osi obrotu A. Pomiędzy położeniem C i D znajduje się powierzchnia wewnętrzna 20 obudowy 5 opisana przez wycinek powierzchni cylindrycznej odpowiadający zasadniczo wycinkowi powierzchni obwodowej 21 tłoka obrotowego 2. Zatem, cała powierzchnia wewnętrzna obudowy może być opisana tak, jakby była utworzona z dwóch niepełnych powierzchni cylindrycznych lub wycinków powierzchni cylindrycznej, nie mając pokrywających się osi środkowych i gdzie mniejsza powierzchnia cylindryczna rozcina większą powierzchnię cylindryczną w poprzek wstępnie określonego wycinka cylindrycznego.

W położeniu C i D, gdzie przecinają się dwie powierzchnie cylindryczne powstaje rodzaj zaworów, które skutecznie zatrzymują przepływ wsteczny gazów. Opcjonalnie, w obudowie 5 w obszarze znajdującym się w położeniach C i D może być wykonane uszczelnienie labiryntowe, ewentualnie nawet w całym obszarze pomiędzy położeniami C i D. Odległość pomiędzy położeniami C i D może ulegać zmianie lub może być wyznaczona jako optymalna, dla konkretnego zastosowania silnika. Gdy odległość pomiędzy położeniami C i D wynosi zero, powierzchnia wewnętrzna obudowy 5 będzie cylindryczna, a powierzchnia obwodowa 21 tłoka obrotowego 2 będzie styczna do powierzchni wewnętrznej 20 wzdłuż linii przechodzącej przy położeniach C i D.

Gdy tłok obrotowy 2 obraca się w kierunku strzałki R, powietrze zasysane jest poprzez kanał wlotowy I. Przechodząca następnie łopatka i przenosi wciągnięte powietrze i rozpoczyna się praca sprężania, gdy łopatka I przechodzi przez swoje najniższe położenie (godzina 6 na fig. 19). Powietrze zostaje wtedy sprężone przy kanale wylotowym U w wyniku dalszego ruchu łopatki l w kierunku położenia najwyższego (godzina 12 na fig. 19).

Figura 20 pokazuje prostą maszynę o tłoku obrotowym z czterema łopatkami, tu przedstawioną w postaci pompy lub sprężarki. Maszyna ta jest bardzo podobna do zespołu sprężarkowego opisanego powyżej w odniesieniu do fig. 19. Jednak, na tej figurze rysunku mimośrodowość i powierzchnie cylindryczne, które przecinają się ze sobą pokazane zostały w sposób bardziej przejrzysty. Tłok obrotowy 2 porusza się w kierunku pokazanym strzałką R. Powietrze zasysane jest poprzez kanał wlotowy I. Powietrze wciągane jest przez łopatki, a następnie wypuszczane jest ponownie przez kanał wylotowy U.

Figura 21 pokazuje maszynę o tłoku obrotowym z jedną łopatką, tu przedstawioną w postaci pompy lub zespołu sprężarkowego, gdzie pokazane są także elementy uszczelniające 23 i łożysko 22, dla rozwiązania opcjonalnego. Elementami uszczelniającymi mogą być uszczelnienie zgarniające lub uszczelnienie labiryntowe. Łożysko 22 może stanowić wkładkę z odpowiedniego tworzywa łożyskowego, takiego jak stop łożyskowy lub brąz, ewentualnie teflon lub tym podobne materiały. Końcówka łopatki może być także zaopatrzona w uszczelnienie 24, które styka się z powierzchnią wewnętrzną 20' obudowy. Pomiędzy kanałem wlotowym I i kanałem wylotowym U korzystnie zapewnione jest uszczelnienie 28, które może być uszczelnieniem labiryntowym.

Maszyna o tłoku obrotowym musi posiadać przeciwciężary (nie pokazane) dla zrównoważenia sił masowych. Fig. 21 pokazuje w szczególności zależności geometryczne, które występują dla optymalnego rozwiązania maszyny. Optymalną maszyną jest maszyna mająca minimalną ilość uszczelnień zgarniających i sprzęgających, a korzystnie taka, która w ogóle nie posiada uszczelnień stykowych, chociaż uszczelnienia bezstykowe, takie jak uszczelnienia labiryntowe, są akceptowane.

Każde zakończenie łopatki opisuje wycinek powierzchni cylindrycznej mający szczególną długość łukową i zakrzywienie, które wyznaczone są na podstawie zależności geometrycznych. Promień krzywizny R4 zakończenia łopatki I' określony jest przez odległość od osi obrotowej C do powierzchni wewnętrznej 20' obudowy 5 mającej wnękę 9'. Grubość t łopatki, a zatem długość łuku powierzchni cylindrycznej 21' wyznaczona jest przez odległość pomiędzy osią centralną B i osią obrotową C, odpowiednio przez promień obrotu R3 dla osi obrotowej C i odległość d pomiędzy osią obrotu A tłoka obrotowego 2' i osią centralną B wnęki 9', zgodnie z przybliżonym równaniem t = 2 · (R4/R3) · d (fig. 21).

Jak pokazano na rysunku, który pokazuje też łopatkę zaznaczoną linią przerywaną w jej dolnym położeniu, zakończenie łopatki faktycznie wykonuje „ruch toczny lub wahliwy” po powierzchni we8

PL 197 854 B1 wnętrznej 20' obudowy 5 podczas swojego obrotu z tłokiem obrotowym 21. W połowie obrotu tłoka obrotowego 21, zakończenie łopatki wykonuje ruch toczny pomiędzy skrajnymi krawędziami łuku. W ten sposób zakoń czenie ł opatki poddane zostaje ruchowi wahliwemu w kierunku do przodu i do tył u podczas jednego obrotu tłoka obrotowego. Grubość t łopatki może być przez to większa niż ta dla rozwiązania optymalnego, co nie ma w tym przypadku większego znaczenia. Jeśli jednak grubość ta jest mniejsza, zakończenie łopatki nie będzie już w dalszym ciągu styczne do powierzchni wewnętrznej 20' podczas obrotu tłoka obrotowego, lecz utworzy się pewna odległość i szczelina pomiędzy powierzchnią wewnętrzną 20' i zakończeniem łopatki.

Figura 22 pokazuje, w sposób bardziej szczegółowy, łącznik mimośrodowy 6. Łącznik mimośrodowy 6 jest nie obrotowo przymocowany do nieruchomej półosi 8 przez klin 25. Łącznik mimośrodowy 6 ma mimośród względem osi centralnej B i cylindryczny czop łożyskowy 26, który podpiera łożysko 27, które z kolei jest mimośrodowo położone w stosunku do osi centralnej B, ale jest centralnie położone względem osi obrotu A tłoka obrotowego. Łożysko 27 ustala nieruchoma półoś 8 w jej końcu swobodnym, dla uzupełnienia wewnętrznego podparcia dla górnej części 2a tłoka obrotowego. Łożysko 27 jest mimośrodowo położone w stosunku do górnego, zewnętrznego łożyska krańcowego 14 i odpowiadającego mu łożyska (nie pokazanego) zamontowanego na przeciwległym końcu tłoka obrotowego 2, które podpiera dolną część 2b tego tłoka. Ta mimośrodowość zapewnia wymuszony ruch łopatek I za pośrednictwem ramion sterujących 7.

Claims (9)

1. Maszyna o tłoku obrotowym zawierająca obudowę mającą wnękę, tłok obrotowy osadzony w obudowie, który to tłok obrotowy ma oś obrotu i powierzchnię obwodową, kanały wlotowe i kanały wylotowe połączone z tą wnęką, jedną lub szereg łopatek przesuwnych promieniowo w szczelinach w tł oku obrotowym, przy czym ka ż da ł opatka przechodzi promieniowo od powierzchni wewnę trznej obudowy do osi obrotu tłoka obrotowego, co najmniej jedną roboczą komorę sprężania będącą częścią tej wnęki i określoną przez powierzchnię wewnętrzną obudowy, powierzchnię obwodową tłoka obrotowego i powierzchnię boczną co najmniej jednej łopatki, przy czym każda łopatka połączona jest przegubowo dokoła osi obrotowej z jednym końcem ramienia sterującego, które w drugim swoim końcu podparte jest obrotowo w nieruchomej półosi mającej oś centralną pokrywającą się z osią przechodzącą centralnie przez wnękę obudowy, która to oś centralna jest równoległa do i przesunięta o pewną odległość od osi obrotu tłoka obrotowego, a tłok obrotowy tworzy zespół poboru mocy lub odbioru mocy, znamienna tym, że każde zakończenie łopatki (1bt) opisuje wycinek powierzchni cylindrycznej mający środek krzywizny w osi obrotowej (C) przechodzącej przez połączenie, które łączy łopatkę (1) z ramieniem sterują cym (7) podpartym z drugiej swojej strony w nieruchomej półosi (8).

2. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że długość łuku wycinka powierzchni cylindrycznej, a zatem i grubość (t) każdej łopatki określona jest zależnościami geometrycznymi, to jest promieniem krzywizny (R4) dla wycinka powierzchni cylindrycznej, odległością (R3) pomiędzy osią centralną (B) wnęki a osią obrotową (C) oraz odległością (d) pomiędzy osią obrotu (A) i osią centralną (B), zgodnie z przybliżonym równaniem t = 2 · (R4/R3) · d.

3. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że pomiędzy zakończeniem łopatki (1bt) i powierzchnią wewnętrzną (20) obudowy (5) posiada elementy uszczelniające.

4. Maszyna według zastrz. 3, znamienna tym, że elementy uszczelniające usytuowane są pomiędzy szczelinami prowadzącymi (11) łopatek i co najmniej jedną z powierzchni bocznych łopatek (1).

5. Maszyna według zastrz. 3, znamienna tym, że elementy uszczelniające usytuowane są pomiędzy powierzchnią wewnętrzną (20) obudowy (5) i powierzchnią obwodową (21) tłoka obrotowego (2) w miejscu, w którym powierzchnie te są styczne do siebie.

6. Maszyna według zastrz. 4, znamienna tym, że szczeliny prowadzące (11) łopatek zawierają łożyska ślizgowe, które współpracują z łopatkami (I).

7. Maszyna według zastrz. 5, znamienna tym, że powierzchnia obwodowa (21) tłoka obrotowego (2) przecina w poprzek wycinka (C-D) powierzchnię wewnętrzną (20) obudowy (5) tworząc wnękę w powierzchni wewnętrznej (20) obudowy (5) tej maszyny.

8. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że ponadto zawiera co najmniej jeden zespół sprężarkowy, który obraca się wspólnie z odpowiadającym mu zespołem silnika spalinowego i że poPL 197 854 B1 siada oddzielną komorę (9a) sprężania, odrębny tłok obrotowy i oddzielne łopatki (1a) oraz kanały (12), które łączą poszczególne komory (9a, 9c) sprężania i komorę (9b) spalania.

9. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że nieruchoma półoś (8) jest podparta i ustalona na swoim swobodnym końcu przez tłok obrotowy (2) za pomocą łącznika mimośrodowego (6).