Роторно-поршневая машина (варианты) и уплотнение поршня роторно-поршневой машины

 

Изобретение относится к энергетике, конкретно к роторным машинам объемного сжатия и расширения: двигателям внешнего нагрева и внутреннего сгорания, компрессорам, а также к гидромашинам - насосам и гидромоторам. В первом изобретении заявлена машина, содержащая статор с окнами газообмена и волнообразной рабочей поверхностью с четырьмя выступами и четырьмя впадинами, сопряженными с концами шестью поршней, шарнирно соединенных с ротором. В качестве второго изобретения заявлен двигатель, содержащий статор и ротор с поршнями. Вход нагреваемого тракта теплообменника-рекуператора сообщен через нагнетательный клапан с камерой сжатия, выход через клапан сообщен с камерой нагрева, а вход греющего тракта соединен с выходом камеры расширения. Камера нагрева размещена в статоре и соединена с камерой расширения через наполнительный клапан. Изобретение направлено на решение нескольких задач - уравновешивание сил давления рабочего тела, разгрузка подшипников, повышение удельной мощности машины и увеличение КПД. 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к области энергетики, конкретнее - к роторным машинам объемного сжатия и расширения: двигателям внешнего нагрева и внутреннего сгорания, компрессорам, а также к гидромашинам - насосам и гидромоторам.

Известны объемные роторные машины (Акатов Е.И. и др. Судовые роторные двигатели. Л., Судостроение, 1967 г., стр.12, рис. 2B) и (SU, авторское свидетельство 1242629 A1, кл. F 01 C 1/44, 07.07.86), содержащие корпус с внутренней цилиндрической расточкой, в котором эксцентрично установлен ротор с шарнирно закрепленными на нем криволинейными лопастями, образующими рабочие камеры, сообщающиеся с каналами для подвода и отвода рабочей среды.

Указанные устройства характеризуются простотой конструкции, но имеют существенные недостатки: низкая герметичность рабочих камер в шарнирах и по торцам лопастей, большие потери на трение между корпусом и лопастями, нагруженными силами давления среды и центробежными силами, интенсивный износ, малый ресурс и низкий КПД.

Из патентной литературы (DE, патент 3027208, кл. F 01 C 1/40, 08.10.81) известна роторно-поршневая машина, принятая в качестве прототипа для первого изобретения и содержащая статор с окнами газообмена и волнообразной рабочей поверхностью с выступами и впадинами, сопряженными с концами пластин-поршней, шарнирно соединенных с ротором.

Из патентной литературы известен роторно-поршневой двигатель (US, патент 3872839, кл. F 02 B 53/00, 25.03.75), принятый для второго изобретения в качестве прототипа, содержащий статор с волнообразной рабочей поверхностью, впускными и выпускными окнами, ротор-поршень с уплотнениями, камеры сжатия и расширения, камеру нагрева со средством нагрева, теплообменник-рекуператор, вход нагреваемого тракта которого сообщен через нагнетательный клапан с камерой сжатия, выход через клапан сообщен с камерой нагрева, а вход греющего тракта соединен с выходом камеры расширения.

Известно уплотнение поршня роторно-поршневой машины (Алексеев В.П. и др. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа. М., Машиностроение, 1990 г., стр. 259), принятое в качестве прототипа для третьего изобретения и содержащее установленные в канавках с пружинами радиальные и торцевые пластины и штифты в стыках между ними.

Задачей изобретений является уравновешивание сил давления рабочего тела, разгрузка корневых подшипников, повышение удельной мощности машины и увеличение КПД машины за счет уменьшения утечек.

Технический результат в первом изобретении достигается тем, что роторно-поршневая машина содержит статор с окнами газообмена и волнообразной рабочей поверхностью с выступами и впадинами, сопряженными с концами пластин-поршней, шарнирно соединенный с ротором, при этом волнообразная поверхность статора выполнена с четырьмя впадинами и сопряжена с шестью поршнями. При использовании роторно-поршневой машины в качестве двигателя внутреннего сгорания, во впадинах рабочей поверхности поочередно расположены окна газообмена и средства воспламенения. В случае использования машины в качестве гидромашины внутри ротора может быть размещен цапфовый распределитель, соединенный через каналы в шарнирном соединении с рабочими камерами. Для подвода смазки к сопряжениям между статором и поршнями в статоре выполнено соединенное с источником смазочной жидкости отверстие с подвижным шариком, выступающим над рабочей поверхностью статора и сопряженным с наклонными фасками на кромках поршней.

Технический результат во втором изобретении достигается тем, что роторно-поршневой двигатель содержит статор с волнообразной рабочей поверхностью, впускные и выпускные окна, ротор-поршень с уплотнениями, камеры сжатия и расширения, камеру нагрева со средством нагрева, теплообменник-рекуператор, вход нагреваемого тракта которого сообщен через нагнетательный клапан с камерой сжатия, выход через клапан сообщен с камерой нагрева, а вход греющего тракта соединен с выходом камеры расширения, при этом камера нагрева размещена в статоре и соединена с камерой расширения через наполнительный клапан, а средство нагрева выполнено в виде теплообменника с внешним подводом тепла или средства воспламенения. Нагнетательный клапан снабжен упругим элементом и дополнительным поршнем, надпоршневая полость которого сообщена со входом нагреваемого тракта рекуператора, а подпоршневая полость сообщена с камерой сжатия. Обращенные в камеры сжатия и расширения поверхности клапанов выполнены с профилем волнообразной поверхности статора, причем клапаны снабжены фиксаторами от поворота. Рабочие поверхности клапанов имеют "мягкое" истираемое покрытие.

Технический результат в третьем изобретении достигается тем, что уплотнение поршня роторно-поршневой машины содержит установленные в канавках с пружинами радиальные и торцевые пластины и штифты в стыках между ними, при этом штифты выполнены с расположенными в пазах поршня радиальными выступами, концы которых обработаны по контуру скругленных кромок поршней. Обеспечение уравновешивания сил давления рабочего тела, разгрузка корневых подшипников в первом и втором изобретении обеспечивается соосным с корпусом расположением ротора, расположением шарнира в средней части лопасти-поршня и выпуклой формой его концов, сопряженных с волнообразной поверхностью.

На фиг. 1, 2, 3 и 4 изображена роторно-поршневая машина (4-тактный ДВС) в поперечном и осевом разрезах; на фиг. 5, 6, 7 приведены варианты шарнирного соединения; на фиг. 8 - конструкция штифта уплотнения в разрезе по В-В; на фиг. 9 - поперечный разрез ДВС с рекуператором; на фиг. 10 - объемная гидромашина с цапфовым распределителем; на фиг. 11 - разрез по С-С; на фиг. 12, 13 изображен вариант ДВС с шестью поршнями.

На фиг. 1, 2 представлена роторно-поршневая машина, которую можно использовать в качестве четырехтактного ДВС. Она содержит корпус 1 с неподвижным статором 2 и крышкой 3. В корпусе на подшипниках 4 установлен ротор с кронштейнами 5, шарнирно соединенными посредством пальцев с поршнями 7 в средней части их длины. Концы поршней закруглены радиусом r, который может быть постоянным (цилиндрическая поверхность на концах) или переменным при других выпуклых поверхностях, и сопряжены с минимальным зазором с рабочей поверхностью 8 статора, которая имеет волнообразную форму с выступами и впадинами плавно изменяющейся кривизны. Поверхность 8 может быть образована различными кривыми; из соображений простоты, технологичности и оптимальных угловых ускорений качательных движений поршней предпочтительно исполнение выступов этой поверхности цилиндрическими с радиусом R. Остальные участки поверхности (впадины) определяются кинематикой механизма, т.е. движением второго конца поршня относительно статора при вращении ротора и скольжении первого конца по выступу с радиусом R (здесь и далее понятие "выступ" относится к наиболее удаленным от оси ротора участкам профиля), при этом есть возможность исполнения впадин из набора сопряженных между собой цилиндрических и плоских поверхностей. Поверхность 8 может быть как внутренней, так и внешней; в последнем варианте поршни располагаются снаружи статора. В четырехтактном двигателе число выступов (и впадин) исполняется четным, т.е. равным 2 м, 4 м, 6 м, 8 м и т.д.; во впадинах поочередно расположены впускные окна 9, выпускные 10 и средства воспламенения 11 (свеча или топливная форсунка). В двигателях с внешней рабочей поверхностью расположение газообменных окон и средств воспламенения тоже поочередное, но они расположены не во впадинах, а на выступах рабочей поверхности корпуса. Машина с внешним расположением поршней больше по массе и габаритам, но имеет некоторые преимущества; в частности, минимальный перевальный объем камер и высокие геометрические степени сжатия, простое воздушное охлаждение поршней и значительный момент инерции ротора, устраняющий необходимость в маховике. Число поршней 7 из условия размещения принимается на один или два меньше числа выступов и впадин. В первом варианте достигается наибольший рабочий объем двигателя, во втором при четном числе поршней, кратном 4 м - силовая разгрузка коренных подшипников от сил давления газа (см. фиг. 10). Поршни уплотнены по периметру установленными в канавках с волнистыми пружинами радиальными 12 и торцевыми 13 пластинчатыми уплотнениями.

Четырехтактный двигатель на фиг. 3, 4, 5, 6, 7, 8 содержит центральную секцию с корпусом 14, имеющим рабочую полость овальной формы, образованной цилиндрическими и плоскими поверхностями, в которой на валу 15 с кронштейнами 16 посредством шарниров 17 установлены поршни 18 с камерами сгорания 19. В корпусе завернута свеча зажигания 20 (или топливная форсунка) и выполнены впускные и выпускные окна 21, 22. Шарниры выполнены в виде отверстий с пальцами 17. Возможно применение шарниров с пальцами 23 сегментной формы, сопряженных с подшипниками 24, или шарниров с трением качения, содержащих плоские вкладыши 25, 26 из твердого материала (например, из закаленной стали), опертые на выпуклые поверхности вкладышей 27, 28, зафиксированных в ребрах поршней. Причем боковые поверхности вкладышей скруглены радиусами r₁, r₂ и сопряжены с вогнутыми поверхностями окон 29, 30 в поршне.

По периметру поршней установлены уплотнения, содержащие радиальные 31 и торцевые 32 пластины, размещенные в канавках и поджатые к корпусу волнистыми пружинами-расширителями 33. Стыки пластин уплотнены штифтами 34 цилиндрической формы, имеющими радиальные выступы 35, обработанные по контуру (заподлицо) закругленных концов поршней.

Такое выполнение по сравнению с аналогом (Алексеев В.П. и др. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа. М., Машиностроение, 1990 г., стр. 259) - системой уплотнения РПД схемы Ванкеля позволяет минимизировать неуплотняемые участки и повысить герметичность рабочих камер. Радиальные выступы штифтов подвижно с минимальными посадочными зазорами утоплены в пазах поршня. Штифты поджаты к торцевым поверхностям камер пружинными шайбами 36. Пазы под пластины 31 в поршне и в штифтах прорезаются совместно.

С центральной секцией двигателя шпильки 37 скреплены две боковые секции 38, 39, ширина которых в 2 раза меньше, чем у центральной секции, а окна, свечи и поршни расположены в противофазе относительно последней, т.е. смещены на 180^o. Это обеспечивает разгрузку коренных подшипников 40 от сил давления газа P, следовательно, повышение КПД и ресурса. Для устранения влияния на разгрузку неидентичности рабочих процессов в камерах секции целесообразно соединение камер сжатия и расширения газопроводами, закрепленными в корпусе (огневая связь). Охлаждение поршней происходит, в основном, теплопередачей в торцевые крышки корпуса.

Действие двигателя происходит следующим образом.

Через впускные окна 21 осуществляется всасывание топливовоздушной смеси в рабочие камеры, затем ее сжатие, воспламенение от свечи 20 (или самовоспламенение от сжатия в цикле Дизеля), расширение и выпуск в патрубки 22. Число четырехтактных циклов за один оборот вала двигателя на фиг. 3, 4 равно трем, т. е. числу поршней. Двигатель с четырьмя выступами в рабочей полости (см. фиг. 1, 2) совершает 14 циклов за один оборот вала, он может быть эффективно использован без понижающего редуктора для привода гребного винта водного судна или несущего винта вертолета.

Относительный недостаток предложенных конструкций - динамические нагрузки вследствие колебательного движения поршней, определяющие механические потери порядка 5%. Целесообразно изготовление поршней из высокопрочных легких сплавов и композитов, например из углекона. Динамические нагрузки могут быть значительно снижены оптимальным выбором радиуса качения между деталями 26, 28, поскольку перемещение линии опорного контакта при качании поршня создает дополнительные моменты сил давления газа на поршень, которые уравновешивают инерционные моменты. Наибольший эффект достигается при асимметричном положении линии контакта, когда ось симметрии поршня в его номинальном (без наклона) положении смещена назад по ходу поршня относительно линии контакта. Шарниры с трением качения имеют механический КПД и ресурс примерно в 2 раза выше, чем шарниры с трением скольжения.

На фиг. 9 изображена конструктивная схема рекуперативного двигателя, являющаяся дальнейшим развитием предложения, рассмотренного выше. Она содержит статор 14 с волнообразной рабочей поверхностью, ротор 15 с кронштейнами 16, шарнирами 17, поршнями 18, впускными и выпускными окнами 21, 22. В корпусе установлен нагнетательный клапан 41, с пружиной сжатия 42. Стержень клапана снабжен поршнем 43, надпоршневая полость которого каналом 44 соединена со входом нагреваемого тракта рекуператора 45, а подпоршневая полость каналом 46 сообщена с трактом сжатия двигателя. Выход рекуператора через обратный клапан 47 соединен с камерой нагрева 48, которая для ДВС исполнена в виде камеры сгорания с форсункой 49 и теплоизоляцией 50, а для ДВН (двигателя внутреннего нагрева) содержит нагреватель в виде противоточного теплообменника с внешним подводом тепла (подобно двигателю Стирлинга). Камера нагрева каналом 51 через наполнительный клапан 52 сообщена с камерой расширения, на конце стержня клапана закреплена шайба 53 с пружиной 54, поджатой гайкой 55. Выпускные окна 22 газопроводом 56 соединены со входом греющего тракта рекуператора, выход которого 57 сообщен через холодильник с впускным патрубком 21 (при замкнутом цикле) или с внешней атмосферой (версия ДВС).

Стержни клапанов 41, 52 установлены в направляющих втулках подвижно в осевом направлении, но фиксированы от поворота, например, сопряжением квадратного сечения, шлицами и т.п. Поверхности тарелок клапанов, обращенные к камере сжатия, обработаны совместно (заподлицо) с рабочей поверхностью полости корпуса и могут иметь относительно мягкое истираемое покрытие. Рекуператор 45 выполнен в виде компактного теплообменника, основной рабочий элемент которого представляет лист из жаропрочного материала с мелкими наклонными рифлениями-гофрами. Лист изогнут зигзагообразно и сжат ("гармошкой") до соприкосновения рифлений, верхние щели образуют полости греющего тракта и загерметизированы с торцов (например, запаяны, заварены лазером). Нижние щели являются нагреваемым трактом, и торцы их открыты к каналу 44 и входу в камеры нагрева 48. Объем камеры нагрева соответствует массе воздушного заряда в камере сжатия, объем нагреваемого тракта рекуператора 45 вмещает один или несколько единичных зарядов. Управление клапанами 41, 52 может быть традиционным, т.е. от распределительного вала с кулачками, толкателями и др. Очевидно, предложенное устройство двигателя может быть реализовано и на конструктивной основе РПД Ванкеля.

Действует рекуперативный двигатель следующим образом.

Через патрубки 21 осуществляется впуск воздушного заряда, затем его сжатие в камере сжатия, в конце которого давлением воздуха на тарелку клапана 41 и поршень 43 открывается клапан 41, сжатый газ перепускается в рекуператор 45, где подогревается теплом выпускных газов, и через обратный клапан 47 тангенциальным потоком подается в вихревую камеру сгорания 48. Через форсунку 49 впрыскивается топливо, происходит его сгорание, и обратный клапан 47 закрывается. В конце процесса сжатия давлением газа открывается наполнительный клапан 52, и продукты сгорания через канал 51 и горловину клапана 52 поступают в камеру расширения. Открытие клапана 41 давлением P исключено за счет соединения подпоршневой полости с внутренним объемом газа через канал 46, так как при этом возникает дополнительное закрывающее усилие на поршень 43. После расширения продукты сгорания через окно 22 и газопровод 56 подаются на вход греющего тракта рекуператора 45, отдают тепло сжатому воздуху в нагреваемом тракте и через патрубок 57 выпускаются во внешнюю среду.

Действие двигателя внешнего нагрева с замкнутым циклом происходит аналогично. Отличие заключается в том, что нагрев в камере 48 происходит через теплообменник от внешнего источника тепла (горелка, концентратор солнечных лучей, ядерный реактор, расплав вещества и др.), а рабочее тело, например гелий, поступает из патрубка 57 в холодильник и оттуда во впускной патрубок 21. Роторная гидромашина на фиг. 10 содержит статор с рабочей полостью 58 в виде квадратного отверстия со скругленными по радиусу углами, сопряженного с поршнями 59, которые имеют цилиндрические выступы, образующие шарнирные соединения с соответствующими выемками в роторе 60. Внутри ротора размещен неподвижный цапфовый распределитель 61 с впускными каналами 62 и выпускными 63, которые через каналы 64, 65 в шарнирных соединениях сообщены с рабочими камерами 66, количество которых предпочтительно четное (на фиг. 10 равно шести).

Действует машина, например гидродвигатель, следующим образом: через наполнительные каналы 62, соединенные с источником жидкости высокого давления, последняя каналами 64, 65 подается в камеры 66 и расширяющимся объемом и создает крутящий момент с парой сил, приложенных к ротору, при этом радиальные силы уравновешены и не создают существенных нагрузок на коренные подшипники ротора. По достижении максимального объема камеры каналами 63 соединяются со сливной магистралью. Рабочий объем камер герметизируется установленными по периметру поршней пластинчатыми уплотнениями, устройство которых рассмотрено выше (см. фиг. 1 - 9).

Удельный рабочий объем машины, соответствующей фиг. 10, меньше, чем у машины на фиг. 1 - 9, но она имеет определенные преимущества: - наиболее простая и технологичная форма рабочей полости, очерченная двумя элементами - радиусом и плоскостью; - примерно вдвое ниже динамические нагрузки от колебательного движения поршней; - полная уравновешенность радиальных сил давления рабочей среды, достигаемая при односекционном наполнении;
- минимальный пассивный (перевальный) объем камеры в ВМТ, обеспечивающий концентрацию заряда воздуха в камере сгорания (при исполнении машины в варианте ДВС), качественное и быстрое сгорание смеси с минимальной теплопередачей в поршень. На фиг. 11 изображено устройство подвода смазки к сопряжениям между статором 2 и поршнями 7, которое содержит шарики 67, ход которых ограничен гайкой 68, отверстие 69 сообщено с источником подачи смазки под давлением. Шарики выступают над рабочей поверхностью статора на величину h, равную 0,2 - 1 мм, на кромках поршней выполнена соответствующая наклонная фаска 70, которая отжимает шарики и обеспечивает подачу масла на время взаимодействия поршня с шариком. Таким образом обеспечена дозированная подача смазки на торцевые поверхности статора и затем на поверхность 8. На фиг. 12, 13 изображен вариант ДВС с шестью поршнями 71, уплотняемыми по периметру радиальными пластинами 72 и торцевыми пластинами 73, снабженными камерами сгорания 74, сопряженными посредством шарниров 75 с кронштейнами 76, которые винтами 77 неподвижно соединены с валом 78, установленным в крышке 86 на подшипниках 80. На валу закреплен маховик 81 с лопастями 82 центробежного нагнетателя, воздушный тракт которого соединен с каналами 83 в корпусе.

Внутри кронштейнов 76 выполнены внутренние полости 84, которые через отверстия 85 в крышке 86 сообщены с выходом нагнетателя 82. Снаружи кронштейнов имеются внешние полости 87, сообщенные с выпускными отверстиями 88 в крышке 89. Полости 84 и 87 сообщены между собой через межреберные каналы 90.

При работе двигателя (которая подобна действию двигателей на фиг. 1, 2, 3, 4) нагнетаемый крыльчаткой 82 воздух обеспечивает охлаждение корпуса в каналах 83 и параллельно через каналы 85, 84, 90, 87, 88 - охлаждение поршней и других конструктивных элементов во внутренней полости корпуса. При этом разность температур воздуха в полостях 84, 97 создает дополнительный центробежный напор, усиливающий циркуляцию и охлаждение.

Целесообразно исполнение поршней с двумя камерами сгорания в каждом из них и с удвоенным количеством форсунок, разнесенных по длине корпуса.

Формула изобретения

1. Роторно-поршневая машина, содержащая статор с окнами газообмена и волнообразной рабочей поверхностью с выступами и впадинами, сопряженными с концами пластин-поршней, шарнирно соединенных с ротором, отличающаяся тем, что волнообразная поверхность статора выполнена с четырьмя впадинами и сопряжена с шестью поршнями.

2. Машина по п.1 в исполнении четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, отличающаяся тем, что во впадинах рабочей поверхности поочередно расположены окна газообмена и средства воспламенения.

3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что внутри ротора размещен цапфовый распределитель, соединенный через каналы в шарнирном соединении с рабочими камерами.

4. Машина по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что в статоре выполнено соединенное с источником смазочной жидкости отверстие с подвижным шариком, выступающим над рабочей поверхностью статора и сопряженным с наклонными фасками на кромках поршней.

5. Роторно-поршневой двигатель, содержащий статор с волнообразной рабочей поверхностью, впускными и выпускными окнами, ротор-поршень с уплотнениями, камеры сжатия и расширения, камеру нагрева со средством нагрева, теплообменник-рекуператор, вход нагреваемого тракта которого сообщен через нагнетательный клапан с камерой сжатия, выход через клапан сообщен с камерой нагрева, а вход греющего тракта соединен с выходом камеры расширения, отличающийся тем, что камера нагрева размещена в статоре и соединена с камерой расширения через наполнительный клапана, а средство нагрева выполнено в виде теплообменника с внешним подводом тепла или средства воспламенения.

6. Роторно-поршневой двигатель по п.5, отличающийся тем, что нагнетательный клапан снабжен упругим элементом и дополнительным поршнем, надпоршневая полость которого сообщена со входом нагреваемого тракта рекуператора, подпоршневая полость сообщена с трактом сжатия.

7. Двигатель по пп.5 и 6, отличающийся тем, что обращенные в камеры сжатия и расширения поверхности клапанов выполнены с профилем волнообразной поверхности статора, причем клапаны снабжены фиксаторами от поворота.

8. Двигатель по пп.5 - 7, отличающийся тем, что рабочие поверхности клапанов имеют "мягкое" истираемое покрытие.

9. Уплотнение поршня роторно-поршневой машины, содержащее установленные в канавках с пружинами радиальные и торцевые пластины и штифты в стыках между ними, отличающееся тем, что штифты выполнены с расположенными в пазах поршня радиальными выступами, концы которых обработаны по контуру скругленных кромок поршней.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13