RU2175720C2

RU2175720C2 - Rotary-vane machine

Info

Publication number: RU2175720C2
Application number: RU99101983A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Шибаев
Original assignee: Шибаев Анатолий Николаевич
Priority date: 1999-01-27
Filing date: 1999-01-27
Publication date: 2001-11-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering; rotary-vane engines, pumps, compressors, hydraulic drives. SUBSTANCE: rotary-vane machine has fixed housing accommodating rotating vane rotors. Rotors rotate at variable velocity thus cyclically changing volumes of housing divided by rotors. Rotors are secured on coaxial shafts furnished with carriers on free ends. Mechanism providing periodical change of velocity and synchronization of rotation of rotors and output shaft is made in form of carrier installed on inner end of output shaft. Carrier has gear wheels freely rotating on axle-shaft of disks of which axle-shafts are installed. Mechanism has also fixed gear wheel getting in meshing with these gear wheels. Carriers on ends of shafts with rotors are provided with radial slot through which axle-shaft installed on gear wheel disk passes. EFFECT: provision of easy transmission of torque from rotors to output shaft, reduced vibration. 3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при создании роторно-лопастных двигателей, насосов, компрессоров, гидроприводов. The invention relates to mechanical engineering and can be used to create rotary vane engines, pumps, compressors, hydraulic drives.

Известна роторная машина, содержащая корпус, торцовые крышки с окнами подвода и отвода рабочей среды, соосные валы с шестернями, установленные на валах роторы с лопастями, образующие рабочие камеры, и промежуточный вал с шестернями. Причем механизм неравномерного вращения роторов образован с помощью овальных шестерен. Применение овальных шестерен затрудняет использование данной машины из-за нетехнологичности их изготовления. Поэтому в данной машине применен механизм неравномерного вращения роторов в виде сложного карданного механизма с регулировочным винтом, обеспечивающим регулирование производительности за счет изменения угла преломления в шарнирах. Данный механизм не может обеспечить необходимую амплитуду колебаний роторов для создания высокопроизводительной машины без увеличения числа лопастей роторов. Примененный в данной роторной машине механизм с прерывистым движением роторов имеет существенный недостаток в том, что неизбежны ударные нагрузки на все звенья машины (SU а. с. N 1521914, кл. F 04 C 18/00, 15.11.1989). Known rotary machine, comprising a housing, end caps with windows for supplying and discharging a working medium, coaxial shafts with gears, rotors with blades mounted on the shafts that form working chambers, and an intermediate shaft with gears. Moreover, the mechanism of uneven rotation of the rotors is formed using oval gears. The use of oval gears makes it difficult to use this machine due to the low technological quality of their manufacture. Therefore, this machine uses a mechanism for the uneven rotation of rotors in the form of a complex cardan mechanism with an adjusting screw that provides performance control by changing the angle of refraction in the hinges. This mechanism cannot provide the necessary amplitude of oscillation of the rotors to create a high-performance machine without increasing the number of rotor blades. The mechanism with intermittent movement of rotors used in this rotary machine has a significant drawback in that shock loads on all links of the machine are inevitable (SU a.s. N 1521914, class F 04 C 18/00, 11/15/1989).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности и простоте конструкции является роторно-лопастной двигатель, содержащий корпус с всасывающим и выхлопным окнами, торцовую крышку, центральный вал и два лопастных ротора, валы которых установлены на центральном валу соосно с ним и с возможностью независимого вращения от него и один от другого, жестко закрепленный вне корпуса на наружном конце центрального вала маховик, свечу зажигания, и механизм периодического изменения скоростей вращения роторов, который содержит полуось, установленную на эксцентриковом элементе с наружной стороны торцовой крышки параллельно центральному валу с возможностью ее перемещения по эксцентричной относительно центрального вала окружности, посредством ее закрепления на эксцентриковом кольце, установленном эксцентрично центральному валу с возможностью его вращения вокруг своей оси на опорных подшипниковых элементах, которые укреплены с внешней стороны торцовой крышки. Два водила жестко закреплены по одному на наружных концах вала каждого ротора, причем водила размещены вдоль радиусов, симметрично расположенных по разные стороны от указанной полуоси, а свободный конец каждого из водил шарнирно связан с ней посредством тяги. На наружном конце центрального вала жестко закреплено третье водило, сквозь радиальный паз которого проходит указанная полуось с возможностью ее перемещения вдоль указанного паза (RU N 2054122, кл. F 01 C 1/00, 10.02.1996). Closest to the proposed invention in its technical essence and simplicity of design is a rotary vane engine comprising a housing with suction and exhaust windows, an end cap, a central shaft and two blade rotors, the shafts of which are mounted on the central shaft coaxially with it and with the possibility of independent rotation from it and one from another, a flywheel, a spark plug, and a mechanism for periodically changing rotor speeds, which is fixed to the outside of the housing on the outer end of the central shaft there is a semi-axis mounted on the eccentric element on the outside of the end cap parallel to the central shaft with the possibility of its movement along the eccentric relative to the central shaft of the circle, by fixing it on an eccentric ring mounted eccentrically to the central shaft with the possibility of rotation around its axis on the supporting bearing elements, which reinforced on the outside of the end cap. Two carriers are rigidly fixed one at a time on the outer ends of the shaft of each rotor, and the carriers are placed along radii symmetrically located on opposite sides of the specified axle shaft, and the free end of each carrier is pivotally connected to it by means of a traction. At the outer end of the central shaft, a third carrier is rigidly fixed, through the radial groove of which the specified axle shaft passes with the possibility of its movement along the specified groove (RU N 2054122, class F 01 C 1/00, 02/10/1996).

Однако силовой импульс от расширяющихся газов, действующих на лопасти, передается на центральный вал через посредство эксцентрикового элемента. Причем равнодействующая сила от сил, передаваемых роторами на полуось, закрепленную на эксцентриковом элементе, действует всегда в направлении радиуса и изменяется лишь по знаку и величине. Если разложить эту силу на составляющие в направлении нормали к окружности, по которой движется полуось, и в направлении касательной к этой окружности, то видно, что составляющая в направлении нормали значительно больше по величине, чем составляющая в направлении касательной. Полезной является лишь составляющая в направлении касательной, а составляющая в направлении нормали нагружает эксцентриковый элемент и вызывает значительную вибрацию. Полезный силовой импульс мал в сравнении с импульсом, получаемым от расширяющихся газов. Поэтому затруднительна передача силового импульса от роторов к центральному валу, что является недостатком этого роторно- лопастного двигателя. However, the power pulse from the expanding gases acting on the blades is transmitted to the central shaft via an eccentric element. Moreover, the resultant force from the forces transmitted by the rotors to the semi-axis fixed on the eccentric element always acts in the direction of the radius and changes only in sign and magnitude. If we decompose this force into components in the direction of the normal to the circle along which the semi-axis moves, and in the direction of the tangent to this circle, we can see that the component in the direction of the normal is much larger in magnitude than the component in the direction of the tangent. Only the component in the tangent direction is useful, and the component in the normal direction loads the eccentric element and causes significant vibration. The useful power pulse is small in comparison with the pulse received from expanding gases. Therefore, it is difficult to transmit a power impulse from the rotors to the central shaft, which is a drawback of this rotor-blade engine.

Задача изобретения - обеспечить легкую передачу вращающего момента от роторов к выходному валу и снизить вибрацию. The objective of the invention is to provide easy transmission of torque from the rotors to the output shaft and reduce vibration.

Данная задача решается в роторно-лопастной машине, содержащей полый цилиндрический корпус с впускными и выпускными отверстиями, торцевые крышки, выходной вал, два соосных с выходным валом вала с водилами на свободных концах и лопастными роторами, разделяющими внутренний объем корпуса на изолированные друг от друга полости, свечу зажигания и механизм периодического изменения скоростей и синхронизации вращения роторов и выходного вала, который выполнен в виде установленного на внутреннем конце выходного вала водила со свободно вращающимися на полуосях, расположенных параллельно с выходным валом, зубчатыми колесами, на дисках которых установлены параллельно осям колес полуоси, связанные с водилами валов лопастных роторов и неподвижного зубчатого колеса, установленного на внутренней стороне одной из крышек и входящего в зацепление с зубчатыми колесами, установленными на водиле. This problem is solved in a rotor-vane machine containing a hollow cylindrical body with inlet and outlet openings, end caps, an output shaft, two shaft coaxial with the output shaft with carriers on free ends and rotor blades dividing the internal volume of the body into cavities isolated from each other , a spark plug and a mechanism for periodically changing speeds and synchronizing the rotation of the rotors and the output shaft, which is made in the form of a carrier mounted on the inner end of the output shaft with freely rotating the gears on the half shafts parallel to the output shaft, on the disks of which are mounted parallel to the axles of the half shafts, connected with the carriers of the shafts of the blade rotors and the fixed gear mounted on the inside of one of the covers and engaged with the gears mounted on drove.

Кроме того, водила на концах валов с роторами могут иметь радиальный паз, сквозь который проходит полуось, установленная на диске зубчатого колеса. In addition, the carrier at the ends of the shafts with rotors can have a radial groove through which the axle shaft mounted on the gear wheel passes.

Кроме того, водила на концах валов с роторами могут быть шарнирно связаны тягами попарно с полуосями, установленными на дисках зубчатых колес. In addition, the carrier at the ends of the shafts with rotors can be pivotally coupled by rods in pairs with the axle shafts mounted on the gear wheels.

Таким образом, при вращении выходного вала каждая полуось, закрепленная на диске зубчатого колеса, описывает гипоциклоиду, форма которой зависит от отношения чисел зубьев неподвижного зубчатого колеса, установленного на водиле, а также от расстояния между этой полуосью и осью зубчатого колеса и радиуса окружности, описываемой осью зубчатого колеса. От начальной установки каждого зубчатого колеса относительно водила зависит расположение гипоциклоиды, описываемой полуосью этого колеса относительно корпуса. Так, например, при соотношении чисел зубьев неподвижного зубчатого колеса и подвижного зубчатого колеса, равном двум, гипоциклоида имеет форму эллипса с эксцентриситетом, зависящим от радиуса окружности, описываемой осью зубчатого колеса, и расстоянием от нее до полуоси. Thus, during the rotation of the output shaft, each axis attached to the disk of the gear wheel describes a hypocycloid, the shape of which depends on the ratio of the number of teeth of the stationary gear mounted on the carrier, as well as on the distance between this axis and the axis of the gear and the radius of the circle described gear axle. The location of the hypocycloid described by the semi-axis of this wheel relative to the housing depends on the initial installation of each gear wheel relative to the carrier. So, for example, when the ratio of the number of teeth of the fixed gear and the movable gear is equal to two, the hypocycloid has the shape of an ellipse with an eccentricity depending on the radius of the circle described by the axis of the gear and the distance from it to the axle shaft.

На фиг. 1 изображена роторно-лопастная машина в разрезе; на фиг. 2 - вид на корпус с роторами; на фиг. 3 - вид на корпус со стороны механизма периодического изменения скоростей; на фиг. 4 - вид на механизм периодического изменения скоростей и синхронизации вращения роторов и выходного вала; на фиг. 5 - вид на механизм периодического изменения скоростей и синхронизации вращения роторов и выходного вала с применением связи полуосей с водилами с помощью тяг. In FIG. 1 shows a rotor-blade machine in a section; in FIG. 2 - view of the housing with rotors; in FIG. 3 is a view of the housing from the side of the mechanism of periodic changes in speeds; in FIG. 4 is a view of a mechanism for periodically changing speeds and synchronizing the rotation of rotors and the output shaft; in FIG. 5 is a view of the mechanism for periodically changing speeds and synchronizing the rotation of the rotors and the output shaft using the connection of the semi-axes with the carriers using rods.

Опишем здесь конструкцию четырехтактной роторно-лопастной машины с четырьмя лопастями, предназначенной для работы в качестве двигателя внутреннего сгорания. Роторно-лопастная машина содержит корпус 1, крышку 2, крышку 3. В корпусе 1 и крышке 2 установлены роторы 4 и 5, попарно жестко закрепленные на валах 6 и 7, на свободных концах которых установлены водила 8 и 9, имеющие радиальный паз. Валы 6 и 7 опираются на подшипники 10. В крышке 2 имеется резьбовое отверстие 11 для свечи зажигания. В корпусе 1 имеются впускное 12 и выпускное 13 отверстия. В крышке 3 соосно с роторами установлены подшипники 14, на которые опирается выходной вал 15. На валу 15 жестко закреплено водило 16 с установленными на полуосях 17 и 18 зубчатыми колесами 19 и 20, входящими в зацепление с зубчатым колесом 21 на внутренней стороне крышки 3. Зубчатые колеса 19 и 20 имеют полуоси 22 и 23, проходящие через радиальные пазы водил 8 и 9 соответственно. Отношение чисел зубьев неподвижного зубчатого колеса и подвижного зубчатого колеса равно двум. Зубчатые колеса 19, 20, 21 могут быть выполнены со смещением исходного контура для получения необходимого межосевого расстояния, причем два первые выполнены одинаковыми. Зубчатые колеса 19 и 20 установлены так, что большие полуоси эллипсов, которые описывают полуоси, установленные на дисках, взаимно перпендикулярны. Here we describe the design of a four-stroke rotor-vane machine with four blades, designed to operate as an internal combustion engine. The rotor-blade machine comprises a housing 1, a cover 2, a cover 3. In the housing 1 and the cover 2, rotors 4 and 5 are installed, pairwise rigidly fixed to the shafts 6 and 7, at the free ends of which are mounted carriers 8 and 9 having a radial groove. The shafts 6 and 7 are supported by bearings 10. The cover 2 has a threaded hole 11 for the spark plug. In the housing 1 there are inlet 12 and outlet 13 openings. Bearings 14 are mounted coaxially with the rotors in the cover 3, on which the output shaft 15 is supported. The carrier 16 is rigidly fixed to the carrier 15 with gears 19 and 20 mounted on the axles 17 and 18, which engage with the gear 21 on the inner side of the cover 3. Gears 19 and 20 have axles 22 and 23 passing through the radial grooves of the carrier 8 and 9, respectively. The ratio of the tooth numbers of the fixed gear and the movable gear is two. The gears 19, 20, 21 can be made with the offset of the original contour to obtain the required center distance, the first two being made the same. The gears 19 and 20 are mounted so that the large semi-axes of the ellipses that describe the semi-axes mounted on the disks are mutually perpendicular.

Двигатель работает следующим образом. The engine operates as follows.

При вращении выходного вала 15 зубчатые колеса 19 и 20 катятся по неподвижному зубчатому колесу 21 и через полуоси 22 и 23 воздействуют на водила 8 и 9, а через них и валы 6 и 7 - на роторы 4 и 5 соответственно. Вследствие этого происходят поочередно впуск, сжатие, зажигание горючей смеси, расширение газов и выпуск в каждой полости, образованной разделением лопастями внутреннего объема корпуса 1 и крышки 2. При горении смеси давление в полости значительно возрастает. Лопасти воспринимают давление газа и передают на валы 4 и 5 равные по значению и противоположно направленные моменты сил. Эти моменты передаются на водила 8 и 9. Силы, действующие со стороны водил 8 и 9 на полуоси 22 и 23, зависят от расстояния между осью вращения выходного вала и соответствующей полуосью 22 и 23 зубчатых колес 19 и 20. Эти силы всегда направлены по касательной к окружности с центром на оси выходного вала и также создают противоположно направленные вращающие моменты на водило 16, но значительно отличающиеся по значению из-за различия точек приложения этих сил. Водило 16 передает суммарный вращающий момент на выходной вал 15. Водило 16 с зубчатыми колесами 19 и 20 также выполняет роль маховика. Водила 8 и 9 и полуоси 22 и 23 соответственно можно связать шарнирно с помощью тяг 24 и 25, тем самым исключить передачу вращающего момента через радиальный паз. When the output shaft 15 rotates, the gears 19 and 20 roll along the stationary gear wheel 21 and act on carriers 8 and 9 through the axles 22 and 23, and through them the shafts 6 and 7 on the rotors 4 and 5, respectively. As a result of this, the inlet, compression, ignition of the combustible mixture, the expansion of gases and the release in each cavity, formed by the separation of the internal volume of the housing 1 and the cover 2 by the blades, take place alternately. When the mixture burns, the pressure in the cavity increases significantly. The blades perceive the pressure of the gas and transmit to the shafts 4 and 5 equal in value and oppositely directed moments of forces. These moments are transmitted to carriers 8 and 9. The forces acting from the side of carriers 8 and 9 on the axles 22 and 23 depend on the distance between the axis of rotation of the output shaft and the corresponding axles 22 and 23 of the gears 19 and 20. These forces are always directed along the tangent to a circle centered on the axis of the output shaft and also create oppositely directed torques on the carrier 16, but significantly different in value due to the difference in the points of application of these forces. The carrier 16 transfers the total torque to the output shaft 15. The carrier 16 with the gears 19 and 20 also acts as a flywheel. Drove 8 and 9 and the axles 22 and 23, respectively, can be pivotally connected using rods 24 and 25, thereby eliminating the transmission of torque through the radial groove.

Claims

1. A rotary vane machine comprising a hollow cylindrical body with inlet and outlet openings, end caps, an output shaft, two shaft coaxial with the output shaft with carriers on free ends and rotor blades dividing the internal volume of the body into cavities isolated from each other, a candle ignition mechanism and a periodic change of speeds and synchronization of rotation of the rotors and the output shaft, characterized in that the mechanism of periodic change of speeds and synchronization of rotation of the rotors and the output shaft in the form of a carrier mounted on the inner end of the output shaft, with gears freely rotating on the axles parallel to the output shaft, on the disks of which the axles of the axles are mounted parallel to the axles of the wheels, connected with the carriers of the rotor shafts and a stationary gear mounted on the inside of one of lids and meshing with gears mounted on the carrier.

2. The machine according to claim 1, characterized in that the carrier at the ends of the shafts with the rotors have a radial groove through which the axle shaft mounted on the gear wheel passes.

3. The machine according to claim 1, characterized in that the carrier at the ends of the shafts with the rotors are pivotally coupled by rods in pairs with the axle shafts mounted on the gear wheels.