Роторно-поршневой двигатель
(57) Использование: энергомашиностроение, тепловозостроение, судостроение, авиация, тракторо- и автомобилестроение. Задача: упрощении конструкции двигателя, повышении его надежности и в уменьшении действия на двигатель внутренних неуравновешенных сил в процессе вращения ротора. Технический результат: в исключении из двигателя элементов, движущихся возвратно-поступательно относительно ротора, а также в устранении эксцентриситета ротора относительно внутренней рабочей поверхности корпуса. Двигатель содержит неподвижный полый корпус (статор) 1. Корпус имеет внутреннюю рабочую поверхность 2 по форме прямого кругового цилиндра. Внутри корпуса 1 установлен ротор 3, имеющий как минимум одно объемное углублением 5, выполненное в теле ротора со стороны его боковой поверхности 4. Между поверхностью 2 корпуса и поверхностью 4 ротора установлены уплотнительные элементы 6. Двигатель также содержит установленные в корпусе 1 как минимум один элемент 7 подачи рабочего тела и как минимум один элемент 8 газообмена. Объемное углубление 5 выполнено в виде, например, пирамиды с прямоугольным основанием ABCD, являющимся движущей поверхностью углубления 5, и вершиной Е. Тормозящей поверхностью углубления 5 является боковая грань ADE указанной пирамиды. При этом эффективная площадь движущей поверхности больше эффективной площади тормозящей поверхности, что является необходимым условием вращения ротора 3 при подаче в углубление 5 рабочего тела. 1 нез. п. ф-лы; 5 илл.
Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно, к роторно-поршневым двигателям, и может быть использовано в энергомашиностроении, тепловозостроении, судостроении, авиации и тракторо- и автомобилестроении.
Уровень техники.
Известен роторно-поршневой двигатель Ванкеля, включающий цилиндрический корпус (статор) и трехгранный ротор-поршень. Внутренняя поверхность корпуса (цилиндра) в поперечном сечении выполнена по эпитрохоиде. Внутри корпуса движется трехгранный ротор-поршень, который постоянно разделяет камеру на рабочие зоны, в которых происходят впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. При этом роль поршней выполняют три стороны ротора, а на углах ротора установлены уплотнения. Ротор-поршень установлен свободно на эксцентрике вала и соединен с зубчатым колесом с внутренними зубьями, обкатывающимися вокруг неподвижной шестерни с наружными зубьями, ось которой совпадает с осью эксцентрикового вала (Ротопоршневые двигатели [сб. статей]. Госуд, союзный научно-исследовательский тракторный институт (Труды НАТИ). Выпуск 179. М. ОНТИ, 1968 (с.11-14).
Признаки, являющиеся общими для известного и заявленного решений, заключаются в наличии полого корпуса с цилиндрической внутренней поверхностью и ротора, установленного внутри корпуса с возможностью вращения.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что ротор (ротор-поршень) установлен на эксцентрике вала и соединен с зубчатым колесом внутренними зубьями, обкатывающимися вокруг неподвижной шестерни с наружными зубьями, ось которой совпадает с осью эксцентрикового вала.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, внутренняя рабочая поверхность которого выполнена в виде прямого кругового цилиндра с двумя торцевыми крышками, ротор, эксцентрично установленный в корпусе и имеющий радиальные пазы, в которых установлены лопасти с возможностью перемещения в этих пазах и скольжения своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса в процессе вращения ротора, а также системы топливоподачи и газообмена, при этом ротор и корпус выполнены сплошными из волокнистого углерод-углеродного композита или термостойкой керамики, лопасти - в виде пакета пластин из углеграфитовой композиции, а в теле ротора между пазами выполнены камеры сгорания в виде цилиндрических или сферических углублений (Патент RU 
2011866 С1, М. кл. F02B 53/00, опубликовано 1990.04.30).
Признаки, являющиеся общими для известного и заявленного решений, заключаются в наличии корпуса и установленного в корпусе ротора, а также в наличии расположенных в стенке корпуса элементов подачи рабочего тела и элементов газообмена.
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что в роторе имеются радиальные пазы, в которых установлены лопасти, движущиеся в процессе работы двигателя возвратно-поступательно относительно ротора и одновременно скользящие своими рабочими гранями по внутренней рабочей поверхности корпуса, что усложняет конструкцию двигателя и снижает его надежность; а также в том, что ротор установлен в корпусе с эксцентриситетом относительно оси симметрии внутренней рабочей поверхности корпуса, что является причиной существенной неуравновешенности внутренних сил двигателя.
Сущность полезной модели.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в упрощении конструкции двигателя, повышении его надежности и в уменьшении действия на двигатель внутренних неуравновешенных сил в процессе вращения ротора.
Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в исключении из двигателя элементов, движущихся возвратно-поступательно относительно ротора, а также в устранении эксцентриситета ротора относительно внутренней рабочей поверхности корпуса.
Достигается технический результат тем, что двигатель содержит полый корпус, выполняющий функцию статора двигателя и имеющий внутреннюю рабочую поверхность по форме прямого кругового цилиндра, соосно установленный в корпусе ротор, выполненный в виде прямого кругового цилиндра с боковой поверхностью, сопряженной с упомянутой рабочей поверхностью корпуса, как минимум один элемент подачи рабочего тела и как минимум один элемент газообмена, при этом в роторе со стороны боковой поверхности его цилиндра имеется как минимум одно объемное углубление, включающее движущую и тормозящую поверхности, выполненные и ориентированные так, что сила, обусловленная давлением находящегося в этом углублении газа на движущую поверхность, создает в отношении ротора движущий вращательный момент, превышающий действующий в отношении ротора тормозящий вращательный момент, обусловленный давлением того же газа на тормозящую поверхность объемного углубления ротора, а упомянутые элементы подачи рабочего тела и газообмена установлены в корпусе или в роторе с возможностью периодической подачи рабочего тела в упомянутое углубление ротора и периодического газообмена с этим углублением.
Новые признаки заявленного технического решения заключаются в соосном расположении ротора относительно внутренней цилиндрической поверхности корпуса (статора), а также в выполнении в роторе со стороны боковой поверхности его цилиндра как минимум одного объемного углубления, включающего движущую и тормозящую поверхности, выполненные и ориентированные так, что сила, обусловленная давлением находящегося в этом углублении газа на движущую поверхность, создает в отношении ротора движущий вращательный момент, превышающий действующий в отношении ротора тормозящий вращательный момент, обусловленный давлением того же газа на тормозящую поверхность объемного углубления ротора, а упомянутые элементы подачи рабочего тела и газообмена установлены в корпусе или в роторе с возможностью периодической подачи рабочего тела в упомянутое углубление ротора и периодического газообмена с этим углублением.
Перечень фигур чертежей.
На фиг.1 схематично показан роторно-поршневой двигатель (в поперечном сечении), в котором элементы подачи рабочего тела и газообмена установлены в корпусе двигателя; на фиг.2 схематично показан фрагмент ротора с объемным углублением в виде пирамиды (вариант 1); на фиг.3 и 4 схематично показаны другие варианты выполнения объемного углубления в роторе; на фиг.5 схематично показан роторно-поршневой двигатель (в поперечном сечении), в котором элементы подачи рабочего тела установлены в роторе.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели.
Роторно-поршневой двигатель (фиг.1 и 2) содержит неподвижный полый корпус 1, выполняющий функцию статора двигателя; при этом корпус имеет внутреннюю рабочую поверхность 2 по форме прямого кругового цилиндра (т.е. направляющая поверхности 2 имеет форму окружности, а с торцов корпус закрыт крышами). Внутри корпуса 1 соосно с цилиндром его внутренней рабочей поверхности 2 установлен ротор 3, выполненный в виде прямого кругового цилиндра с боковой поверхностью 4, сопряженной с рабочей поверхностью 2 корпуса (статора) 1, и объемным углублением 5, выполненным в теле ротора со стороны его боковой поверхности 4 (на фиг.1 показано два углубления). Между поверхностью 2 корпуса и поверхностью 4 ротора установлены уплотнительные элементы 6 (показано четыре уплотнительных элемента). Двигатель также содержит установленные в корпусе 1 как минимум один элемент 7 подачи рабочего тела (на фиг.1 этих элементов показано два) и как минимум один элемент 8 газообмена (на фиг.1 этих элементов показано два). Кроме того, выполненное в роторе объемное углубление 5 имеет два типа поверхностей - движущую поверхность и тормозящую поверхность. В приведенном на фиг.1 и 2 примере углубление 5 выполнено в виде пирамиды с прямоугольным основанием ABCD, являющимся движущей поверхностью углубления 5, и вершиной Е. При этом тормозящей поверхностью углубления 5 является боковая грань ADE указанной пирамиды. Указанные поверхности (основание ABCD и боковая грань ADE) выделяются как движущая и тормозящая вследствие того, что нормаль к поверхности ABCD ориентирована в направлении вращения ротора 3 (по часовой стрелке относительно рисунка), а нормаль к поверхности ADE ориентирована в против направлении вращения ротора 3 (против часовой стрелки относительно рисунка); при этом эффективная площадь поверхности ABCD (площадь прямоугольника) превыщает эффективную площадь поверхности ADE (площадь треугольника). Что касается других граней пирамиды (ABE и DCE), то они в рабочем процессе участвуют в незначительной степени, так как, во-первых, площади этих граней равны между собой, а нормали к ним ориентированы противоположно друг к другу, а во-вторых, очень малый угол между плоскостью вращения ротора и гранями ABE и DCE обуславливает маленькую тормозящую силу, т.к. нормаль раскладывается по правилу параллелограмма.
На фиг.3 и 4 показаны варианты выполнения углубления 5 в виде многогранника ABCDEF, расположенного со смещением от оси 9 ротора 3 по направлению вращения ротора. Основной движущей поверхностью здесь является грань ABCD, дополнительной - грань ADF. Тормозящими поверхностями являются грани ABEF и DCEF. При этом силы, действующие на эти тормозящие поверхности, имеют результирующую, которая имеет очень малый угол с осью 9 ротора 3. Вследствие этого указанная тормозящая результирующая сила (разложенная по правилу параллелограмма) будет иметь малое значение.
На фиг.5 показан вариант двигателя, в котором углубление 5 в роторе 3 выполнено в виде пирамиды ABCDE (как и в варианте на фиг.1 и 2), а элемент 7 подачи рабочего тела установлен в этом углублении на грани ABCD этой пирамиды. При этом в роторе 3 по его оси 9 выполнен продольный (осевой) канал 10, от которого отходит по крайней мере один поперечный канал 11, соединяющий указанный продольный канал с элементом 7 подачи рабочего тела. Кроме того, элемент 7 подачи рабочего тела установлен так, что поток истекающего из него рабочего тела направлен от грани ABCD в направлении к внутренней поверхности корпуса (как показано двойной стрелкой на фиг.5), что дополнительно к силе, обусловленной давлением газа внутри углубления 5 и тем самым вращающей ротор 3, добавляет динамическую составляющую. На фиг.5 не показан элемент газообмена, так как его функцию может выполнять элемент подачи рабочего тела в режиме разделения времени. При этом конструкция двигателя предусматривает отдельную установку элемента газообмена как на корпусе, так и на роторе.
Работа роторно-поршневого двигателя заключается в следующем.
В исходном положении ротора 3 (как показано на фиг.1) пара его объемных углублений 5 расположены в области соответствующих элементов 7 подачи рабочего тела. В таком положении ротора 3 посредством элементов 7 осуществляют подачу рабочего тела во внутреннюю полость корпуса 1 с двух сторон этого корпуса в два углубления 5. В качестве рабочего тела может использоваться воспламеняющийся в смеси с воздухом бензин или солярка, либо сжатый до высокого давления воздух или иной газ (или пар). В качестве элементов 7 подачи рабочего тела могут использоваться форсунки топлива и окислителя, подачи сжатого газа, свечи зажигания и др. Рабочее тело, находящееся под высоким давлением в объемном углублении 5, оказывает давление на движущую поверхность ABCD и тормозящую поверхность ADE (фиг.2). Поскольку эффективная площадь движущей поверхности ABCD больше эффективной площади тормозящей поверхности ADE, то и момент силы, действующей на ротор 3 в движущем направлении (по часовой стрелке относительно рисунка), больше момента силы, действующей на ротор в тормозящем направлении. Вследствие этого ротор 3 вращается. При вращении объемное углубление 5 входит в зону расположения соответствующего элемента 8 газообмена, который в этот момент открывают и тем самым сбрасывают давление газа в соответствующем объемной углублении 5. Далее цикл повторяется. При этом в двигателе нет такта расширения как такового, а энергия сгоревшего топлива сохраняется в течение определенного времени (пока не упадет давление в связи с преодолением сил трения). Таким образом, момент движущей силы, создаваемый давлением сгоревшего топлива, тратится только на совершение полезной работы, преодоление сил трения внутри двигателя и выход газа через уплотнения 6. Работа двигателя в варианте показанном на фиг.5 отличается тем, что элемент 7 подачи рабочего тела расположен на роторе 3 и направлен в сторону внутренней поверхности корпуса (статора) 1, вследствие чего в направлении от ротора к корпусу в результате истечения рабочего тела с определенной скоростью дополнительно создается динамическая сила в направлении вращения ротора.
Возможны два режима работы двигателя: режим двигателя внутреннего сгорания и режим двигателя внешнего сгорания. В первом режиме смесь горючего и окислителя при помощи элементов 7 подается в объемные углубления 5, где эта смесь сгорает и образовавшиеся в результате этого сгорания газы производят вращение ротора 3. При этом возможно осуществление как цикла Карно, так и цикла Дизеля. Во втором режиме смесь горючего и окислителя подается в газогенератор (не показан), где эта смесь сгорает, образовавшиеся газы аккумулируются в ресивере (не показан) и оттуда через регулирующий дроссель (не показан) газ поступает через элементы 7 в объемные углубления 5, где данный газ без его расширения (за счет разницы моментов сил) производит вращение ротора 3. При этом вместо газа, образуемого сжиганием горючего, может использоваться водяной пар, генерируемый соответствующим парогенератором (не показан).
В рассматриваемом двигателе отсутствуют циклы всасывания, сжатия и расширения, а цикл выхлопа происходит без применения дополнительных деталей. Кроме того, нет необходимости применять впускные и выпускные клапаны, а также их привод; полностью исключен механизм газораспределения.
Роторно-поршневой двигатель, содержащий полый корпус, выполняющий функцию статора двигателя и имеющий внутреннюю рабочую поверхность по форме прямого кругового цилиндра, соосно установленный в корпусе ротор, выполненный в виде прямого кругового цилиндра с боковой поверхностью, сопряженной с упомянутой рабочей поверхностью корпуса, как минимум один элемент подачи рабочего тела и как минимум один элемент газообмена, при этом в роторе со стороны боковой поверхности его цилиндра имеется как минимум одно объемное углубление, включающее движущую и тормозящую поверхности, выполненные и ориентированные так, что сила, обусловленная давлением находящегося в этом углублении газа на движущую поверхность, создает в отношении ротора движущий вращательный момент, превышающий действующий в отношении ротора тормозящий вращательный момент, обусловленный давлением того же газа на тормозящую поверхность объемного углубления ротора, а упомянутые элементы подачи рабочего тела и газообмена установлены в корпусе или в роторе с возможностью периодической подачи рабочего тела в упомянутое углубление ротора и периодического газообмена с этим углублением.
