Система торцевых уплотнений рабочей камеры роторного двигателя внутреннего сгорания

 

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: система торцовых уплотнений рабочей камеры роторного двигателя внутреннего сгорания содержит установленный с каждой стороны ротора прямоугольный уплотнительный элемент из состыкованных между собой и установленных в пазах корпуса секторных и прямоугольных участков. Уплотнительный элемент состоит из нескольких слоев, а стыки секторных и прямолинейных участков смежных слоев расположены в шахматном порядке, при этом секторные участки имеют центральный угол, определяемый по формуле , где _сл - толщина слоя торцового уплотнительного элемента; R_нар - наружный радиус соответствующего слоя. 6 ил.

Изобретение относится к системам уплотнений роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания, а именно к системам торцовых уплотнений рабочих камер.

Известна система уплотнений рабочих объемов роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания (см. а.с. N1237780, МПК F02B 55/00 от 04.09.84), содержащая установленный с каждой стороны ротора прямоугольный уплотнительный элемент из состыкованных между собой и установленных в пазах корпуса секторных и прямолинейных участков.

Недостаток таких торцовых уплотнений заключается в том, что они не обеспечивают герметизацию рабочих камер, особенно на радиусных участках.

Торцовые уплотнительные элементы, выполненные из двух полуколец, состыкованных двумя параллельными составляющими, заклинивают в канавках в момент нажатия на них с целью прижатия их к торцам ротора и обеспечения контакта по всему контуру уплотняемого периметра.

Уплотнительные элементы как бы залегают в канавках и не доходят до торцов ротора. В результате заклинивания уплотнительного элемента в канавке отсутствует контакт уплотнительного элемента с торцами ротора. Для обеспечения контакта увеличивают усилия поджима, повышающие силы трения и снижающие механический КПД двигателя. Практически невозможно найти оптимальное усилие поджима уплотнительных элементов, а значит, обеспечить оптимальные весо-габаритные и мощностные параметры роторного двигателя. При перекосах ротора даже на угол 10'-20' возникает зазор между плоскостью ротора и уплотняющей плоскостью торцового уплотнительного элемента, т.е. выполнение торцового уплотнения в виде двух полуколец, состыкованных двумя параллельными составляющими, неэффективно из-за весьма низкой их приспособленности к возможным изменениям положения плоскости ротора.

Создание системы торцовых уплотнений рабочей камеры роторного двигателя внутреннего сгорания с обеспечением герметичности рабочих камер является задачей, на решение которой направлено изобретение.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в системе торцовых уплотнений рабочей камеры роторного двигателя внутреннего сгорания, содержащей установленный с каждой стороны ротора прямоугольный уплотнительный элемент из состыкованных между собой и установленных в пазах корпуса секторных и прямоугольных участков, уплотнительный элемент состоит из нескольких слоев, а стыки секторных и прямолинейных участков смежных слоев расположены в шахматном порядке, при этом секторные участки имеют центральный угол, определяемый по формуле где _сл толщина слоя торцового уплотнительного элемента; R_нар - наружный радиус соответствующего слоя.

Выполнение секторного участка с таким углом R_нар обеспечивает возможность поджима каждого элемента с минимальным усилием, т.к. данный угол обеспечивает совмещение центра тяжести данного секторного элемента с линией действия силы.

На фиг. 1 изображен роторный двигатель внутреннего сгорания, поперечный разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 система торцовых уплотнительных элементов рабочей камеры в увеличенном виде, состоящая из двух слоев; на фиг. 4 то же, из трех слоев; на фиг. 5 разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг. 6 разрез В-В на фиг. 4.

Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1 с рабочей камерой 2, очерченной в продольном сечении двумя дугами окружности и двумя отрезками прямых, а в поперечном окружностью, выходной вал 3 в ротором 4, в пазах которого на лопастях 5 установлены поршни 6. Лопасти 5 снабжены роликами 7, находящимися в двухсторонней беговой дорожке 8 корпуса 1. Поршни 6 связаны с лопастями 5 при помощи шарниров 9 и снабжены боковыми стабилизаторами-вытеснителями 10 и ведущим пояском 11. В канавках, выполненных на ведущем пояске 11 поршня 6, установлены уплотнительные кольца 12 с наружной рабочей поверхностью, контактирующей с поверхностью рабочей камеры 2. Зазор между стенками ротора 4 и корпусом 1 уплотняется при помощи торцовых уплотнительных элементов 13, имеющих прямоугольное поперечное сечение и размещенных в пазах корпуса 1 по обе стороны ротора 4 для контактирования с торцовыми поверхностями последнего. Торцовые уплотнительные элементы 13 составлены из нескольких слоев, например из двух слоев (фиг. 3) или из трех слоев (фиг. 4). В каждом слое уплотнительные элементы выполнены на прямых и радиусных участках разрезными на отдельные части 14 и 15, размещенные в шахматном порядке относительно частей уплотнительных элементов соседнего слоя. На прямолинейном участке длина каждой части 14 кратна ширине H_п паза ротора 4.

Прижим всех слоев уплотнительных элементов осуществляется через пластину 16 посредством пружин 17 и 18 и винта 19. Поджимные упругие механизмы каждой части уплотнительного элемента одного слоя на прямолинейном участке размещены в центре каждой части, а на радиусном участке размещены в центре (т.C) хорды (А₁-А₁), соединяющей концы дуги окружности соответствующего слоя торцового уплотнительного элемента (см. фиг. 3).

Плоскости стыков сопряжения криволинейных и прямоугольных элементов каждого слоя торцового уплотнения выполнены косыми в плоскостях, проходящих через ось вала ротора и середины каждого слоя в плоскости сопряжения цилиндрической и тороидальной рабочих поверхностей (фиг. 3 и 4) корпуса двигателя.

Длина уплотнительного элемента на прямолинейном участке уплотнительного контура равна 2e. В случае перекоса ротора или незначительного осевого смещения лопасти в зоне прямолинейного участка имеют место значительной утечки рабочего тела с обеих сторон ротора через образовавшиеся зазоры, т.е. имеет место разрыв контакта уплотнительного элемента с поверхностью ротора и лопасти. Чтобы значительно сократить утечки рабочего тела, необходимо уплотнительный элемент на прямолинейном участке выполнить в виде разрезных элементов, установленных в двух или трехслойном порядке с взаимным перекрытием стыков телом уплотнительного элемента второго и третьего слоев, т.е. получить чешуйчатого типа уплотнение, наилучшим образом приспособленное к возникающим перекосам и смещениям.

Длина элемента в первом слое L, во втором L₁, в третьем слое L, сумма их длин в каждом слое равна 2e.

Часть уплотнительного элемента L и L₁ на прямолинейном участке должна быть кратна ширине паза ротора H_п, т.е. H_п/L=H_п/L₁2, а отношение величины длины прямолинейного участка 2e к ширине паза ротора H_п больше единицы, т.е. 2e/H_п>1.

Выполнение торцового уплотнения чешуйчатым обеспечивает качественное уплотнение рабочих камер роторного двигателя и выполняет задачу сохранения рабочего заряда в камере двигателя. Предложенная конструкция торцового уплотнения на криволинейном участке контура в виде отдельных элементов, установленных в 2-х или 3-х слойном уплотнении с перекрытием стыков телом следующего соседнего в слое элемента, является уплотнением чешуйчатого типа. Величина угла сектора, рассчитанного по математическому выражению, учитывает возможные перекосы ротора и осевые смещения лопастей и обеспечивает перемещение элемента в осевом направлении без перекосов при нажатии на него экспандера с минимальным усилием "поджатия", необходимым для обеспечения надежного уплотнения. Это обеспечивается благодаря тому, что направление усилия поджатия элемента проходит через хорду А₁-А₁ (фиг. 3).

В случае, если точка приложения силы уплотнительного элемента проходит вне слоя уплотнительного элемента, образуется перекашивающий момент, заклинивающий элемент в канавке. Для исключения этого возможного варианта хорда А₁-А₁ не должна проходить вне слоя уплотнительного элемента, а должна всегда находиться внутри его. Криволинейный сектор контура торцового уплотнения составляет угол 180^o. При определении угла a по математическому выражению отношение a должно быть кратным целому числу. В том случае если расчетная величина не будет кратна 180^o, то необходимо его величину привести к ближайшему значению (7^o30', 15^o, 22^o30', 30^o и 45^o). Углы 180/ секторов второго слоя торцового уплотнения, состыкованных с торцовыми уплотнениями на прямолинейных участках, составляют 0,5. Остальные секторы второго и третьего слоев имеют величину угла a первого слоя. Газообмен в двигателе осуществляется подачей топливовоздушной смеси через впускной канал 20 и отводом отработавших газов через выпускной канал 21, а воспламенение топливовоздушной смеси - свечой зажигания 22, размещенной в корпусе 1.

Предлагаемую систему торцовых уплотнений образуют следующим образом: в замковую прямоугольную канавку, выполненную по контуру, эквидистантному кривой линии, образующей рабочую поверхность, устанавливают в два, три и более слоев уплотнительные элементы 13, выполненные в каждом слое на прямых и радиусных участках разрезными на отдельные части 14 и 15, размещенные в шахматном порядке относительно частей уплотнительного элемента соседнего слоя. Таким образом, стыки соседних слоев перекрывают друг друга.

При работе двигателя и вращении вала 3 в рабочей камере 2 происходит периодическое изменение объемов полостей, заключенных между поверхностями рабочей камеры 2, ротора 4 и торцами лопасти-поршня 6, необходимое для протекания термодинамических процессов и получения полезной механической мощности на валу 3.

Каждая часть уплотнительного элемента 13 каждого слоя, перемещаясь в направлении плоскостей ротора 4 до соприкосновения с последней, индивидуально приспосабливается, обеспечивая герметизацию рабочей камеры 2. Для устранения условий, вызывающих заклинивание частей уплотнительного элемента 13 в канавках корпуса 1 на радиусных участках точка приложения силы поджатия расположена посередине хорды, соединяющей концы дуги окружности сектора соответствующего слоя торцового уплотнительного элемента 13, а на прямых участках в центре каждого участка.

Формула изобретения

Система торцевых уплотнений рабочей камеры роторного двигателя внутреннего сгорания, содержащая установленный с каждой стороны ротора прямоугольный уплотнительный элемент из состыкованных между собой и установленных в пазах корпуса секторных и прямолинейные участков, отличающаяся тем, что уплотнительный элемент состоит из нескольких слоев, а стыки секторных и прямолинейных участков смежных слоев расположены в шахматном порядке, при этом секторные участки имеют центральный угол, определяемый по формуле где _сл толщина слоя торцевого уплотнительного элемента; R_нар наружный радиус соответствующего слоя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6