PL62192B1 - - Google Patents

Description

Pierwszenstwo: Opublikowano: 23.X.1968 (P 129 685) 20.111.1971 62192 KI. 46 a, 53/00 MKP F 02 b, 53/00 Twórca wynalazku: Julian Falecki Wlasciciel patentu: Instytut Lotnictwa, Warszawa (Polska) Maszyna lopatkowa Przedmiotem wynalazku jest maszyna lopatkowa z lo¬ patkami stanowiacymi przegrody miedzykomorowe, pro¬ wadzonymi w wirniku o ksztalcie szpulki, która moze byc stosowana jako silnik spalinowy, silnik hydraulicz¬ ny, silnik pneumatyczny, sprezarka albo pompa.Znane maszyny lopatkowe, w których komory robo¬ cze ograniczone sa powierzchniami korpusu, wirnika i wysuwanych z wirnika lopatek, odznaczaja sie bardzo korzystnym stosunkiem objetosci komór do obrysu zew¬ netrznego, zupelnym wyrownowazeniem oraz dowolnie niska — w zaleznosci od ilosci komór roboczych — pulsacja momentu obrotowego lub wydatku. Ze wzgle¬ du na prostote konstrukcji, wynikajaca z samej zasady budowy, maszyny takie sa powszechnie stosowane jako sprezarki, pompy, silniki hydrauliczne lub pneumatycz¬ ne. Z tych powodów, oraz latwosci realizacji dowolne¬ go obiegu lub cyklu pracy, wymiany ladunku i chlo¬ dzenia, dazy sie takze do stworzenia spalinowych silni¬ ków lopatkowych.Z przyczyny szczególnych warunków pracy wynika¬ jacych z wystepowania wysokich temperatur oraz znacznie sie zmieniajacych cisnien, charakteru czynnika roboczego i wymaganej — ze wzgledu na sprawnosc — szczelnosci komór, lopatkowy silnik spalinowy musi po¬ siadac budowe odmienna od innych maszyn lopatko¬ wych. W szczególnosci nalezy rozwiazac problem sprawnosci mechanicznej przy wysokich predkosciach obrotowych oraz problem uszczelnien czynnika robo¬ czego i smarnego. 10 15 20 25 30 Przy znacznych wymiarach i szybkobieznosciach wy¬ maganych dla maszyn lopatkowych stosowanych jako silniki spalinowe, sily oddzialywania lopatek na biez¬ nie, pochodzace w glównej mierze od sil bezwladnosci, sa na tyle duze, ze znacznie obnizaja sprawnosc me¬ chaniczna oraz trwalosc maszyny.Jednoczesnie zasada budowy wszystkich znanych do¬ tychczas maszyn, w których lopatki wysuwaja sie z wir¬ nika a wiec sa podparte wysiegnikowo powoduje, ze lo¬ patki sa silnie obciazone i ze wzgledów wytrzymaloscio¬ wych oraz funkcjonalnych musza byc grube, a wiec o duzej masie, a zatem duzych silach bezwladnosci. Do¬ datkowym czynnikiem zmniejszajacym sprawnosc jest wzrost reakcji, od sil poprzecznych dzialajacych na lo¬ patke, i wynikajacych stad sil larcia, wskutek skracania sie podparcia przy wysuwaniu sie lopatki, któremu to¬ warzyszy na ogól przyrost sil poprzecznych.W niektórych znanych dotychczas spalinowych silni¬ kach lopatkowych w celu zwiekszenia sprawnosci me¬ chanicznej zastosowano odpowiednie mechanizmy, na przyklad krzywkowe — przejmujace dzialanie sil bez¬ wladnosci. Rozwiazanie takie ma te istotna wade, ze po¬ woduje powiekszenie — przez zwiazanie z lopatka do¬ datkowych elementów — sily bezwladnosci, wprowadza¬ jac przez to ograniczenie szybkobieznosci wynikajace z wytrzymalosci mechanizmu odciazajacego, oraz w spo¬ sób zasadniczy komplikuje budowe maszyny. Ponadto przy niektórych rozwiazaniach niemozliwe jest zastoso¬ wanie skutecznych uszczelnien zapobiegajacych stratom czynnika smarujacego mechanizm odciazajacy. Uzycie 6219262192 mechanizmu odciazajacego powoduje takze koniecznosc wprowadzenia dodatkowych uszczelnien czynnika robo¬ czego na linii styku lopatki z bieznia.Uszczelnienie czynnika roboczego uzyskiwane jest za¬ zwyczaj za pomoca odpowiednich elementów uszczelnia¬ jacych. Nalezy zwrócic uwage, ze z powodów geome¬ trycznych system uszczelnien musi byc dla osiagniecia pelnej szczelnosci bardzo zlozony. Czesto wiec stosuje sie uszczelnienia niezupelne — zostawiajac w niektó¬ rych miejscach szczeliny nie przegrodzone elementami uszczelniajacymi. Powoduje to oczywiscie spadek spraw¬ nosci silnika.Wymienione wyzej przyczyny powoduja, ze mimo oczywistych potencjalnych zalet spalinowe silniki lopat¬ kowe nie wyszly dotychczas ze stadium prób.Celem wynalazku jest stworzenie maszyny lopatkowej pozbawionej wymienionych wad znanych dotychczas ma¬ szyn lopatkowych, a w szczególnosci tych, które unie¬ mozliwiaja zastosowanie maszyn lopatkowych jako sil¬ ników spalinowych. Zadaniem wynalazku jest stworzenie odpowiedniej konstrukcji maszyny mogacej urzeczywist^ nic zalozony cel.Zgodnie z wytyczonym zadaniem opracowano maszy¬ ne lopatkowa, w której na przedluzeniu znanych wyciec znajduja sie w scianach czolowych wirnika rowki, przy czym lopatka ma dwa wystepy usytuowane po jej bo¬ kach od strony grzbietowej, w których, sa umieszczone przesuwnie w kierunku równoleglym do osi obrotu wir¬ nika wkladki uszczelniajace podparte sprezynami; wklad¬ ki uszczelniajace maja powierzchnie (blizsze obwodowe¬ go pierscienia uszczelniajacego umieszczonego w cylin¬ drze) ksztaltu cylindra o promieniu bliskim co do war¬ tosci odleglosci dolnej krawedzi rowka obwodowego w cylindrze od powierzchni zarysu cylindra. Natomiast ro¬ wek obwodowy, najblizszy osi cylindra, wykonany w kazdym z czól cylindra jest równolegly do powierzchni jego biezni. Ponadto dla maszyny lopatkowej o biezni róznej od kolowej najkorzystniejszy zarys biezni cy¬ lindra stanowi krzywa równolegla do owalu Cassina.Dzieki opisanemu rozwiazaniu osiagnieto wielorakie korzysci, a mianowicie: male sily bezwladnosci ponie¬ waz lopatka ma dlugosc nieznacznie wieksza od jej skoku i jest z powodu trójstronnego podparcia cienka; nieduze reakcje od sil dzialajacych na lopatke w kie¬ runku prostopadlym do jej powierzchni dzieki podpar¬ ciu w obszarze dzialania sil; automatyczne uszczelnienie lopatek, przy czym uszczelnienie calkowite wymaga tyl¬ ko dwóch elementów; dobre warunki smarowania wyni¬ kajace ze wzrostu powierzchni podparcia w obszarze dzialania sil poprzecznych w miare wysuwania sie lo¬ patki a wiec wzrostu tych sil; latwe odprowadzenie cie¬ pla z lopatki poniewaz ta ostatnia styka sie bezposred¬ nio, duza powierzchnia, z chlodniejszymi scianami czo¬ lowymi i male sily dzialajace w kierunku równoleglym do plaszczyzny lopatki a pochodzace od parcia czynni¬ ka roboczego na lopatke.Ponadto konstrukcja lopatki prowadzonej w scianach czolowych wirnika, uzupelniona wystepami, w których umieszczone sa elementy uszczelniajace pozwala, wraz z obwodowym uszczelnieniem w cylindrze, uzyskac pel¬ ne uszczelnienie komór roboczych, niezbedne w niektó¬ rych rodzajach maszyn' lopatkowych, np. w silnikach spalinowych. Dla maszyny lopatkowej o nie okraglej biezni cylindra, ksztalt zarysu biezni zalezy od róznych czynników konstrukcyjnych, a miedzy innymi od sposo¬ bu sterowania ruchu lopatki.Dla maszyny lopatkowej wedlug wynalazku, w której ruch lopatki jest wymuszany bieznia, niektóre z zary- 3 sów sa nieodpowiednie. Stwierdzono, ze dla maszyny takiej najdogodniejszy jest zarys bedacy krzywa równo¬ legla do owalu Cassina. Jednoczesnie dla maszyny lo¬ patkowej pracujacej jako silnik spalinowy najdogodniej¬ sza liczba komór, przy opisanym profilu biezni, winna 10 wynosic piec do dziesieciu.Silnik taki odznacza sie bardzo wysoka równomierno¬ scia momentu -obrotowego porównywalna z równomier¬ noscia momentu obrotowego czterosuwowego silnika tlokowego o dwukrotnie wiekszej liczbie cylindrów i ma 15 jednoczesnie wysoka sprawnosc mechaniczna oraz ko¬ rzystny ksztalt komory spalania. Silnik ten moze praco¬ wac zarówno z zaplonem iskrowym jak i samoczynnym.Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykla¬ dach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedsta- 20 wia maszyne lopatkowa, z cylindrem o biezni w ksztal¬ cie zblizonym do owalu, w przekroju osiowym wzdluz plaszczyzn zaznaczonych na fig. 2 i fig. 3 liniami A—A, fig. 2 — czterosuwowy silnik spalinowy z zaplonem iskrowym w przekroju wzdluz plaszczyzny prostopadlej 25 do osi obrotu wirnika, fig. 3 — dwustronny silnik pne¬ umatyczny lub hydrauliczny albo pompe lub sprezarke w przekroju wzdluz plaszczyzny prostopadlej do osi wirnika, fig. 4 — fragment maszyny lopatkowej w prze¬ kroju w rzucie aksomometrycznym, fig. 5 — lopat- 30 ke w przekroju w rzucie aksonometrycznym, fig. 6 — fragment maszyny lopatkowej w przekroju wzdluz plasz¬ czyzny lopatki, fig. fig. 7—10 — glówne czesci cztero¬ suwowego silnika spalinowego z zaplonem iskrowym w widoku perspektywicznym, fig. 11 — maszyne lopat¬ kowa z cylindrem o biezni w ksztalcie kola w przekro¬ ju osiowym wzdluz plaszczyzn zaznaczonych na fig. 12 i fig. 13 liniami B—B, fig. 12 —. dwusuwowy silnik spa¬ linowy z zaplonem iskrowym w przekroju wzdluz pla¬ szczyzny prostopadlej do osi obrotu wirnika, a fig. 13 — silnik pneumatyczny lub hydrauliczny albo pompe lub sprezarke w przekroju wzdluz plaszczyzny prostopadlej do osi obrotu wirnika.Jak pokazano na rysunku, szpulkowy wirnik 26 po¬ siada sciany czolowe 1 i 2. W wirniku 26 w czesci srod¬ kowej sa wykonane przeciecia 3 przedluzone w scianach czolowych rowkami 4 (fig. 4). W przecieciach 3 umiesz¬ czone sa przesuwnie lopatki 5, które podczas ruchu od¬ srodkowego prowadzone sa w rowkach 4. Wirnik 26 wraz z lopatkami 5 umieszczony jest w korpusie sklada- 50 jacym sie z cylindra 6 i dwóch pokryw bocznych 7 i 8 (fig. 1 i fig. U), przy czym wirnik 26 jest ulozyskowa- ny w pokrywach bocznych 7 i 8 za pomoca lozysk 9 i 10. W osi czopa znajduja sie wspólsrodkowe przewody 11 i 12, sluzace do doprowadzenia i odprowadzenia czyn- 55 nika chlodzacego wirnik 26.W cylindrze 6 wykonane sa kanaly: wlotowy 13 i wy¬ lotowy 14 (fig. fig. 2, 3, 12 i 13) dla czynnika roboczego.Bieznia P cylindra 6, która stanowi wiez kinematyczna lopatek 5, jest odpowiednio uksztaltowana dla realizacji ^ zalozonego obiegu pracy.Dla maszyny lopatkowej, od której jest wymagana zu¬ pelna szczelnosc komór roboczych, zwlaszcza dla silni¬ ka spalinowego, lopatka 5 (fig. fig. A—6) posiada dwa wystepy 15 usytuowane od strony grzbietowej G po jej 65 bokach. W wystepach 15 lopatki 5 sa umieszczone prze- 40 4562192 suwnie w kierunku równoleglym do osi obrotu wirnika 26 wkladki uszczelniajace 16 podparte sprezynami 17.Ponadto w czolach cylindra 6 sa wykonane obwodowe rowki 18 i 19, przy czym rowek obwodowy 18, najbliz¬ szy osi cylindra 6 jest na calym obwodzie równolegly do powierzchni biezni P. W rowkach tych znajduja sie cienkie, przeciete przynajmniej w jednym miejscu na obwodzie, pierscienie uszczelniajace 20 i 21 podparte sprezynami 22 i 23. Liczba 24 oznaczono swiece zaplo¬ nowa (fig. fig. 2, 10 i 12), a liczba 25 — przestrzen pod- lopatkowa w przecieciu 3.Najkorzystniej jest w przypadku czterosuwowego sil¬ nika spalinowego z bieznia P o profilu róznym od kolo¬ wego, aby liczba komór — w zaleznosci od wymaganego stopnia sprezania, ksztaltu komory spalania oraz faz roz¬ rzadu — wynosila piec do dziesieciu. Liczba komór in¬ nych odmian maszyny moze byc wieksza, poniewaz w tych maszynach mozna stosowac lopatki z materialów o niskim ciezarze wlasciwym lub czynnik roboczy zmniejszajacy tarcie.Poniewaz jak omówiono wczesniej obnizenie masy lopatek 5 ma pierwszorzedne znaczenie dla rozwiaza¬ nia problemu sprawnosci mechanicznej, w lopatkach 5 powinny byc wykonane odpowiednie otwory zmniejsza¬ jace mase, które z przyczyn wytrzymalosciowych winny miec kierunek równolegly do osi maszyny. Przy czym lopatka 5 moze miec dwie odmiany konstrukcji, a mia¬ nowicie: 1) lopatka 5 jest wykonana z jednolitego ma¬ terialu o niskim ciezarze wlasciwym, z pokryciem po¬ wierzchni roboczych powloka odporna na scieranie i/ lub zmniejszajaca tarcie: 2) lopatka jest skladana z cze¬ sci wykonanych z materialu o niskim ciezarze wlasci¬ wym i z czesci z materialu odpornego na scieranie i/lub zmniejszajacego tarcie.W kierunku wzdluz lopatki 5, to jest zgodnym z kie¬ runkiem plaszczyzny rowka 4, na lopatke 5 dzialaja przyspieszenia dosrodkowe wynikajace z obrotu tejze wzgledem osi maszyny i przyspieszenia wzgledne wyni¬ kajace z przesuwania sie lopatki 5 w rowku 4. Te drugie sa zmienne co do kierunku i dla duzych sko¬ ków lopatki moga byc równe lub wieksze od przyspie¬ szen dosrodkowych w odpowiednich polozeniach lopat¬ ki 5. O ile na wartosc skrajnych przyspieszen dosrod¬ kowych przy zalozonych wymiarach osi profilu biezni P — a wiec i skoku lopatki 5 — nie mozna wplynac droga doboru ksztaltu biezni P, o tyle ma on istotne znaczenie dla wielkosci przyspieszen wzglednych.Aby maszyna dzialala prawidlowo winny byc spelnio¬ ne nastepujace warunki: 1) sumaryczne przyspieszenia wzdluz lopatki 5 winny byc skierowane odsrodkowo, gdy lopatka 5 znajduje sie w krótszej osi zarysu biezni P; 2) sumaryczne przyspieszenia powinny byc jak najmniej¬ sze, gdy lopatka 5 znajduje sie w dluzszej osi zarysu biezni P; 3) zmiana przyspieszen miedzy tymi poloze¬ niami ma byc plynna. Stwierdzono, ze warunki powyz¬ sze spelnia zarys biezni P bedacy krzywa równolegla do owalu Cassina. Odleglosc zarysu biezni P od owalu równa jest promieniowi zaokraglenia grzbietu G lopat¬ ki 5.Z rozwiazania wedlug wynalazku wynika, ze komory robocze maszyny lopatkowej sa uszczelnione samo¬ czynnie na wszystkich powierzchniach styku lopatki 5 z wirnikiem 26 oraz na linii styku grzbietu G lopatki 5 z bieznia P cylindra 6. Uszczelnienie to wynika z doci¬ skania lopatki 5 do powierzchni styku z wirnikiem 26 przez sily parcia czynnika roboczego, sily bezwladnosci lub tarcia a do biezni P — przez sily bezwladnosci oraz parcie czynnika doprowadzonego do przestrzeni podlo- padkowej 25. 5 Dla zupelnego uszczelnienia komór roboczych, nie¬ zbedne jest zapobiezenie przedostawania sie czynnika ro¬ boczego z komór przez szczeliny miedzy scianami czo¬ lowymi 1 i 2, wirnika 26 a czolami cylindra 6, oraz rowkami 4. W tym celu w obwodowych rowkach 18 10 i 19 — których liczba zalezy od stopnia wymaganej szczelnosci, a w przykladach na rysunku pokazano dwa — wykonanych na czolach cylindra 6, przy czym rowek 18 najblizszy biezni P jest do niej na calym obwodzie równolegly, umieszczono cienkie pierscienie uszczelnia- 15 jace 20 i 21 majace swobode ruchu w kierunku osi maszyny. Pierscienie te sa dociskane do scian czolowych 1 i 2 wirnika 26 sila sprezyn 22 i 23 oraz parciem czyn¬ nika roboczego.Aby umozliwic przesuw pierscieni uszczelniajacych 20 20 i 21, przy niejednakowych odksztalceniach cieplnych pierscieni uszczelniajacych 20 i 21 oraz rowków obwo¬ dowych 18 i 19, pierscienie uszczelniajace 20 i 21 sa przeciete w co najmniej jednym miejscu na obwodzie, najkorzystniej w strefie niskich cisnien czynnika robo- 25 czego- Przedostawaniu sie czynnika do sasiednich komór przez szczeline ograniczona czolem cylindra 6, sciana czolowa wirnika 26, grzbietem G lopatki 5 i dolna 'krawedzia pierscienia uszczelniajacego 20 zapobiegaja 30 wkladki uszczelniajace 16 umieszczone, po dwie w kaz¬ dej lopatce 5, w sposób umozliwiajacy ich przesuw w kierunku równoleglym do osi maszyny. Górne powierz¬ chnie tych wkladek maja ksztalt walca o promieniu w przyblizeniu równym odleglosci dolnej krawedzi rowka 35 obwodowego 18 od powierzchni biezni P.Wkladki uszczelniajace 16 sa dociskane do czola cy¬ lindra 6 sprezynami 17 oraz parciem czynnika robocze¬ go. Ucieczce czynnika przez rowki 4 przeciwdzialaja wystepy 15 lopatki 5 siegajace nieco powyzej górnej 40 krawedzi zewnetrznego pierscienia uszczelniajacego 21.Szczelina oznaczona litera L musi byc jak najmniejsza, ale nieco wieksza od luzu osiowego 1 miedzy dnem row¬ ka 4 a lopatka 5. Przedstawione rozwiazanie zapewnia calkowicie uszczelnienie komory. W maszynach lopat- 45 kowych, w których dopuszcza sie pewne nieszczelnosci, np. w sprezarkach powietrznych, mozna pominac wklad¬ ki uszczelniajace 16 a nawet pierscienie uszczelniajace 20 i 21.Smarowanie powierzchni tracych lopatek 5 odbywa 50 sie za pomoca czynnika roboczego jesli posiada on do¬ stateczne wlasnosci smarne, lub przez dodawanie do czynnika roboczego czynnika smarnego, albo droga do¬ starczania odpowiednich ilosci oleju na powierzchnie styku lopatek 5 z wirnikiem 26. 55 Cylinder 6 maszyny moze byc chlodzony woda lub powietrzem, wirnik 26 — olejem, woda lub powietrzem.Chlodzenie wirnika 26 jest latwe dzieki wynikajacej z obrotu symetrii temperatur oraz prostemu dostepowi do jego wnetrza. Na rysunku pokazano przykladowo prze- 60 wody 13 i 14 doprowadzajace i odprowadzajace czyn¬ nik chlodzacy wirnik 26.Ogólna zasada dzialania omawianej maszyny lopatko¬ wej jest nastepujaca. W czasie obrotu wirnika 26 na¬ stepuje zmiana objetosci komór roboczych maszyny 65 utworzonych przez powierzchnie P nieruchomego cy-7 62192 8 lindra 6 oraz powierzchnie wewnetrzne wirnika 26 i po¬ wierzchnie lopatek 5. Jednoczesnie zmieniaja sie po¬ wierzchnie wysunietych z wirnika czesci lopatek 5.Zmiana objetosci komór roboczych umozliwia reali¬ zacje obiegu pracy maszyny, natomiast nacisk czynni¬ ka roboczego na niejednakowe powierzchnie lopatek 5 powoduje powstawanie momentu obrotowego rozwija¬ nego lub pobieranego przez maszyne. Kanaly wlotowe 13 i wylotowe 14 umieszczone w odpowiednich miejs¬ cach cylindra 6 sluza do wymiany czynnika roboczego w komorach. Zasada pracy poszczególnych odmian ma¬ szyny, to jest silników, pomp lub sprezarek, z punktu widzenia realizacji obiegów pracy, nie rózni sie od zna¬ nych ogólnie. PL PL

Claims (5)

1. Zastrzezenia patentowe 1. Maszyna lopatkowa z lopatkami stanowiacymi prze¬ grody miedzykomorowe, umieszczonymi w wycieciach w wirniku, który ma ksztalt zblizony do szpulki, ziui- 10 15 20 mienna tym, ze na przedluzeniu znanych wyciec (3) w scianach czolowych (1 i 2) wirnika (26) znajduja sie row¬ ki (4).

2. Maszyna wedlug zastrz. 1, znamienna tym, ze lo¬ patka (5) ma dwa wystepy (15) usytuowane po jej bo¬ kach od strony grzbietowej (G), w których sa umiesz¬ czone przesuwnie w kierunku równoleglym do osi obro¬ tu wirnika (26) wkladki uszczelniajace (16) podparte sprezynami (17).

3. Maszyna wedlug zastrz. 1 i 2, znamienna tym, ze rowek obwodowy (18), najblizszy osi cylindra (6), wy¬ konany w kazdym z czól cylindra (6) jest równolegly do powierzchni biezni (P).

4. Maszyna wedlug zastrz. 1—3, znamienna tym, ze powierzchnia wkladki uszczelniajacej (16), blizsza pier¬ scienia uszczelniajacego (20), ma ksztalt cylindra o pro¬ mieniu zblizonym do odleglosci dolnej krawedzi rowka obwodowego (18) od powierzchni biezni (P).

5. Maszyna wedlug zastrz. 1—4, znamienna tym, ze ma bieznie (P) cylindra (6) najkorzystniej w ksztalcie krzywej równoleglej do owalu Cassina. Fig.2 Rg.3KI. 46 a,53/00 62192 MKP F 02 b, 53/00KI. 46 a, 53/00 62192 MKP F 02 b, 53/00 Fi9.6 Fig. 7KI. 46 a. 53/00 62192 MKP F 02 b, 53/00 B-B Fig. 11 Fig 12 Fig. 13 PL PL