UA56339C2 - Роторний сферичний двигун - Google Patents

Abstract

Роторний сферичний двигун, сферична порожнина якого виконана на внутрішній поверхні рухомої гільзи, розташованої всередині корпусу двигуна. Таке конструктивне вирішення забезпечило зменшення довжини ущільнень робочих камер та швидкості руху деталей двигуна відносно сферичної поверхні порожнини.

Description

Опис винаходу

Винахід відноситься до машинобудівництва, а саме до роторних двигунів внутрішнього згоряння, може 2 використовуватись на транспорті, мобільній техніці та в авіації.

Відома роторна об'ємна машина (патент США Мо4.631.011 від 23.12.1986), яка має рухомий корпус із сферичною внутрішньою поверхнею, яка поділяється дисковою мембраною посередині, і двома протилежними отворами, через які в середину корпусу проходять два вали, що закінчуються роторами у вигляді сферичних сегментів. Зовні корпусу вали рухомо закріплені в станині під кутом один до одного, та до кожного валу 70 паралельно роторам приєднуються виделки. Кінці виделок за допомогою пальців рухомо поєднуються з корпусом у площині дискової мембрани таким чином, що вісі кожні пари пальців перпендикулярні. Ротори утворюють з корпусом і мембраною чотири камери змінного об'єму. За допомогою золотникових розподілювачів, розташованих в роторах, і каналів у валах, роторах і мембрані, в цих камерах організується робочий процес, відповідний до призначення машини. Об'ємна машина, виконана за такою схемою, має наступні недоліки. 79 По-перше, рухомий корпус машини та виделки потрібно захищати від пошкоджень додатковим кожухом.

По-друге, технологічно важко виготувати вал воєдино з ротором і виделкою, розташувати золотники в роторах, а ротори в корпусі. По-третє, консольне закріплені вали зазнають значні навантаження. Однак самим головним недоліком є наявність зайвих кінематичних зв'язків, кількість яких досягає 13. Це накладає надзвичайно високі вимоги до точності виготовлення і збирання машини, а також може привести до значних сил тертя і деформації під час її роботи. Якщо з метою зміни робочого об'єму машини виконати станину з можливістю зміни кута між осями закріплених в ній валів, імовірність поломки ще збільшиться.

Відома роторна об'ємна машина з вільнорухомим механізмом (заявка Мо99105751 від 21.10.1999). Вона має нерухомий корпус із сферичною внутрішньою поверхнею, всередині якого знаходяться два ротори у вигляді сферичних сегментів з валами, що закріплені у корпусі під кутом один до одного, та розташований поміж с роторами диск, який поділяє внутрішній об'єм машини на чотири змінних об'єми, у яких за допомогою вікон та Ге) каналів в корпусі утворюється відповідний робочий процес, причому на одній стороні диска виконаний циліндричний прилив, що сполучається з вершиною одного з роторів, а на іншій стороні диска перпендикулярно до приливу виконаний циліндричний паз, у який одним боком входить проміжній вал, другий бік якого входить у циліндричний паз на вершині іншого ротора. Таким чином забезпечується відсутність зайвих кінематичних о зв'язків в механізмі роторної сферичної об'ємної машини. со

Відомий роторний сферичний двигун внутрішнього згоряння, виконаний за схемою роторної об'ємної машини зі змінним робочим об'ємом (заявка Мое99105752 від 21.10.1999). Він має роз'ємний корпус, в якому виконані два о отвори, сферичну порожнину, два вали, встановлені в отворах, осі яких перетинаються під кутом одна до другої «о в центрі сферичної порожнини. В останній розміщені два закріплених на валах ротора і розташована між ними 3о рухома дискова перегородка, створюючи зі стінками сферичної порожнини робочі камери змінного об'єму. о

Ротори сполучаються з дисковою перегородкою з утворенням шарніра Гука. Кінець одного вала виведений за межі корпусу, а кінець іншого вала введений в глухий отвір, закритий кришкою. Вал, введений в глухий отвір корпусу, виконаний ексцентричним і закріплений в отворі з можливістю повороту, ротор закріплений на валу « рухомо з можливістю обертання, причому вісь частини вала, на якій розташований ротор, і вісь частини вала, З 50 закріпленої в отворі, перетинаються в центрі сферичної порожнини. Якщо повертати ексцентричний вал, с змінюється кут коливань дискової перегородки, а з ним зміна робочого об'єму, зміна міри стиску та розширення

Із» і зміщення фаз газорозподілу. Недоліком такого двигуна є велика довжина ущілень робочих камер та велика швидкість рухомих деталей відносно корпусу.

Метою винаходу є зменшення довжини ущілень робочого ротора та швидкості руху деталей відносно сполучної поверхні сферичної порожнини шляхом розташування їх у рухомій гільзі. і-й П.1. Роторний сферичний двигун, що має роз'ємний корпус з двома отворами, сферичну порожнину, два

Ге») вали, встановлені в отворах, осі яких перетинаються під кутом одна до другої в центрі сферичної порожнини. В останній розміщені два закріплених на валах ротора і розташовані між ними полуциліндричний вал, поєднаний з о рухомою дисковою перегородкою, та проміжний вал, утворюючі разом сферичний шарнір Гука, та створюючи зі со 20 стінками сферичної порожнини компресорні та робочі камери змінного об'єму, в яких забезпечується робочий процес за допомогою вікон та каналів. Робочий ротор закріплений нерухомо на вихідному валу, кінець якого с виведений за межі корпусу. Ротор компресора розташований з можливістю обертання на кінці ексцентричного вала, другий кінець якого закріплений в глухому отворі корпусу з можливістю повороту. Вісь частини вала, на якій розташований ротор, і вісь частини вала, закріпленої в отворі, перетинаються в центрі сферичної 29 порожнини. Двигун відрізняється тим, що сферична порожнина виконана на внутрішній поверхні рухомої гільзи,

ГФ) розташованої всередині корпусу та поєднаної нерухомо з робочим ротором та вихідним валом, а в компресорних камерах розташовані автоматичні випускні клапани з утворенням продувочних камер. Таким о чином, довжина ущілень робочих камер зменшується на довжину ущілень робочого ротора, який тепер нерухомий відносно гільзи, а ротор компресора та дискова перегородка виконують лише коливальний рух 60 відносно гільзи, обертаючись разом з нею. Повертаючи ексцентричний вал відносно корпусу, маємо змогу змінювати кут коливального руху дискової перегородки, а разом з ним ефективний робочий об'єм і ступінь стиску двигуна.

На фіг.1 зображений двигун у стані запалювання у першій робочій камері, випуску у другій робочій камері, стискання у першій камері компресора та впуску у другій камері компресора (за площиною малюнку). Вихідний бо вал рухається за стрілкою годинника, якщо дивитись з його сторони. На фіг.2 зображений двигун у стані кінця випуску з першої компресорної камери, впуску до другої компресорної камери, робочої ходи у першій робочій камері (за площиною малюнку) та стискання у другій робочій камері. На фіг.З надані розгорнуті фазові діаграми роботи двигуна. На фіг.4 зображений двигун, комбінований з турбокомпресором. На фіг.5 зображений двигун,

Комбінований з електричною машиною.

На Фіг.1 зображений двотактний роторній сферичний двигун, який має роз'ємний корпус 1. Через один отвір У корпусі проходить вихідній вал 2, на внутрішньому кінці якого нерухомо закріплені гільза З із сферичною внутрішньою порожниною та робочий ротор 4, розташований всередині останньої разом з ротором компресора 5, полуциліндричним валом б, дисковою перегородкою (далі диск) 7 та промежутнім валом 8 між ними з 7/0 утворенням сферичного шарніра Гука. Ротор компресора 5 має можливість обертатись на одному кінці ексцентричного вала 9, інший кінець якого закріплений з можливістю повороту в глухому отворі корпусу 1. Вісь закріпленої частини ексцентричного вала, вісь обертання ротора компресора 5 та вісь обертання вихідного вала 4 з гільзою З та робочим ротором 4 перетинаються у центрі сферичної порожнини гільзи. Диск поділяє останню на дві компресорні камери з боку ротора 5 і дві робочі камери з боку ротора 4. В компресорних камерах між 7/5 ротором 5 та диском 7 розташовані автоматичні клапани 10, які утримуються п'ятами в полуциліндричному валу 6 та утворюють між собою та диском 7 продувочні камери 11. В робочому роторі 4 виконані камери згоряння 12.

В корпусі виконані впускний канал з вікном 13 до камер компресора і вихідне вікно 14. Корпус має повітряні канали 15 і порожнину між ним та гільзою, на зовнішній поверхні якої виконане оребріння для організації повітряного охолодження. В гільзі виконаний продувочний канал з вікнами 16 та 17, та кільцевий канал 18 з Випускними вікнами 19 із робочих камер та вихлопними вікнами 20 у вихідну частину порожнини охолодження з вихідним вікном 14.

Працює двигун таким чином. У камері згоряння, утвореній кишенею 12 робочого ротора 4, запалюється стиснута робоча газова суміш, фіг. 1. Сила тиску газів, що горять, сприймається диском 7 та передається полуциліндричним валом 6 на ротор компресора 5 і ексцентричний вал 9. Сила реакції опори ексцентричного сч г вала 9 передається в зворотну сторону на диск 7, створюючи поворотний момент, який передається проміжним валом 8 робочому ротору 4 та вихідному валу 2. Ротор компресора 5, робочий ротор 4 з гільзою З і вихідним і) валом 2 виконують при цьому обертальний рух, а диск 7, обертаючись разом з ними, здійснює до того ж коливальний рух, змінюючи об'єми камер, укладених між ним і роторами. Гарячі гази в першій робочій камері розширяються, здійснюючи корисну роботу. У іншій робочій камері в цей час відбувається випуск газів, що б зо Відпрацювали, через випускне вікно 19 в кільцевий канал 18 всередині гільзи З, що виконує роль глушителя.

Частина відпрацьованих газів надходить через відкрите продувочне вікно 17 в продувочний канал всередині о гільзи 3, стискаючи при цьому свіжий заряд, що знаходиться в продувочній камері 11, утвореній гільзою, диском с

З і клапаном 10. Клапан 10, закритий під дією центробіжної сили, перешкоджає проникненню газів в камеру компресора, де в цей час відбувається попереднє стиснення нової порції свіжого заряду. При падінні тиску в ісе) робочій камері, до неї почне надходити свіжий заряд з продувочної камери 7. Як тільки тиск в камері ю компресора стане більшим, ніж в продувочній і робочій камерах, клапан 10 відкриє випускне вікно 16, і через нього потече нова порція свіжого заряду. Повертаючись, диск 10 закриває випускне 16 і продувочне 17 вікна.

Ротор компресора 5 витісняє весь об'єм газу в продувочний канал, вихід з якого закрився, утримуючи клапан 10 у відкритому стані, фіг. 2. При подальшому повороті ротора 5 клапан 10 закриється, слідуючи услід за ним під « дією центробіжної сили і сили тиску газів, що повертаються з продувочного каналу в продувочну камеру 11 між п) с клапаном 10 і диском 7. Таким чином, компресорна камера виявляється закритою по досягненні положення, . відповідного ВМТ компресора, фіг. 2, що забезпечує несиметричну фазу випуску, мінімальний мертвий об'єм і и?» високий ККД компресора. У іншій компресорній камері в цей час відбувається впуск свіжого заряду через впускне вікно 13, яке відсікається гранню ротора 5. Розгорнута фазова діаграма роботи двигуна надається на фіг. 3.

При повороті вихідного вала на 1802 всі камери міняються місцями. Таким чином, повний робочий цикл у всьому сл об'ємі двигуна здійснюється за один оберт вихідного вала.

Охолодження двигуна здійснюється повітрям, що подається через канали 15 в порожнину охолодження між

Фо гільзою З і корпусом 1. Оребріння на поверхні гільзи збільшує поверхню охолодження і виконує роль лопаток

Ге) вентилятора. Випуск вихлопних газів з кільцевого каналу 18 всередині гільзи З здійснюється через вихлопні

Вікна 20 в гільзі в вихідну зону порожнини охолодження з вихідним вікном 14, де вони створюють ежекцію о охолоджуючого повітря. (Че) Паливне живлення двигуна можна забезпечити системою безпосереднього вприску, виконавши елементи паливного насоса високого тиску безпосередньо на вихідному валу 2, а паливні канали і форсунки в тілі робочого ротора 4. У разі застосування іскрового запалювання свічі вкручуються в гільзу З навпроти кишень 12 в роторі 4. В корпусі двигуна в зоні вхідного каналу 15 виконується кільцева расточка під свічі і здійснюється підведення високої напруги. Гільза, яка обертається разом із свічками при цьому виконує функцію (Ф, розподільника. ко Повертаючи ексцентричний вал 9 в корпусі двигуна, можна змінювати кут між осями обертання роторів, а з ним і кут коливань диска 7, яким визначається ефективний робочий об'єм і ступінь стиснення в камерах. Зміна бо ефективного робочого об'єму позначена штриховою лінією на діаграмах, фіг.3. Таким чином можна регулювати ступінь стиснення двигуна на різних режимах роботи, починаючи від максимальної під час пуску та роботи за малим навантаженням, аж до мінімальної при роботі на максимальній потужності. Це забезпечує оптимальні параметри робочого процесу під час експлуатації, високі ККД, економічність і екологічність двигуна.

П.2. Роторний сферичний двигун за П.1, який відрізняється тим, що на наружній поверхні гільзи з одної б5 сторони виконані лопатки компресора, з другої сторони виконані лопатки турбіни, а в корпусі відповідно виконані напрямуючі апарати компресора і турбіни.

На фіг.4 зображений роторний сферичний двигун, комбінований таким чином з турбокомпресором. З одної сторони гільзи З виконані лопатки компресора 21. З другої сторони виконані лопатки турбіни 22. В корпусі 1 виконаний вхідний напрямуючий апарат компресора 23, кільцевий канал з впускним вікном 13 до компресорних камер двигуна і напямуючий апарат турбіни 24.

Свіжий заряд надходить через вхідний напрямуючий апарат 23 до лопаток компресора 21, де стикається та проходить через кільцевий канал і впускне вікно 13 до компресорних камер двигуна. Вихлопні гази з робочих камер через вікна 19 надходять до кільцевого каналу в тілі гільзи, та зазнають остаточного розширення на лопатках турбіни 22, виконуючи додаткову корисну роботу, та виходять із двигуна через напрямуючий апарат 24 7/о В корпусі.

Таким чином забезпечується наддув двигуна та використання енергії вихлопних газів, що збільшує його питому потужність, ККД і економічність.

П.3. Роторний сферичний двигун за П.1, який відрізняється тим, що на зовнішній поверхні гільзи закріплені обмотки та магнітна система якоря електричної машини, навпроти яких в корпусі розташована магнітна система ув та обмотка статора, а в тілі гільзи виконані канали охолодження.

На фіг.5 показаний роторний сферичний двигун, комбінований з електричною машиною. На зовнішній поверхні гільзи З закріплені обмотки 25 та полюси 26 і 27 магнітної системи якоря електричної машини.

Навпроти них в корпусі 1 розташована магнітна система 28 та обмотка 29 статора. В тілі гільзи виконані канали охолодження З0, до яких повітря надходить через канали 15 в корпусі. Канали охолодження 30 мають вихід до 2о загального з вихлопними газами кільцевого каналу 18 з вихлопними вікнами 20.

Живлення обмоток якоря здійснюється через контактний вузол на гільзі або вихідному валу двигуна. Виникає електричне поле, яке рухаючись разом з якорем, наводить ЕДС на обмотку статора.

Claims (3)

Формула винаходу с (8)

1. Роторний сферичний двигун, який має роз'ємний корпус з двома отворами, сферичну порожнину, два вали, встановлені в отворах, осі яких перетинаються в центрі сферичної порожнини, в якій розміщені два закріплених на валах ротори і розташовані між ними півциліндричний вал, з'єднаний з рухомою дисковою перегородкою, та Фо зо проміжний вал, утворюючі разом сферичний шарнір Гука, та утворюючі зі стінками сферичної порожнини компресорні та робочі камери змінного об'єму, в яких забезпечується робочий процес за допомогою вікон та о каналів, робочий ротор закріплений нерухомо на вихідному валу, кінець якого виведений за межі корпусу, а со ротор компресора розташований з можливістю обертання на кінці ексцентричного вала, другий кінець якого закріплений в глухому отворі корпусу з можливістю повороту, причому вісь частини вала, на якій розташований з5 ротор, і вісь частини вала, закріпленої в отворі, перетинаються в центрі сферичної порожнини, ю який відрізняється тим, що сферична порожнина виконана на внутрішній поверхні рухомої гільзи, розташованої всередині корпусу та з'єднаної нерухомо з робочим ротором та вихідним валом, а в компресорних камерах розташовані автоматичні випускні клапани з утворенням продувочних камер.

2. Роторний сферичний двигун за п.1, який відрізняється тим, що на зовнішній поверхні гільзи з одного « боку виконані лопатки компресора, з другого боку виконані лопатки турбіни, а в корпусі, відповідно, виконані з с напрямні апарати компресора і турбіни.

3. Роторний сферичний двигун за п.1, який відрізняється тим, що на зовнішній поверхні гільзи закріплені :з» обмотки та магнітна система якоря електричної машини, навпроти яких в корпусі розташована магнітна система та обмотка статора, а в тілі гільзи виконані канали охолодження. 1 (22) (95) о 50 іЧе) Ф) іме) 60 б5