ДВУХКОНТУРНАЯ РОТОРНАЯ МАШИНА
DOUBLE-CIRCUIT ROTOR MACHINE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, тепловых двигателях с внешним подводом тепла, газовых холодильных машинах, системах наддува поршневых двигателей, двухступенчатых компрессорах, насосах.
Известна роторная машина Курочкина, содержащая корпус с цилиндрической расточкой и каналами подвода и отвода рабочей среды, соосно установленное в корпусе статорное кольцо, эксцентрично установленный в корпусе ротор с диаметральными профилированными пазами и размещенными в них стержнями с разделительными пластинами на концах, имеющими возможность радиального перемещения в пазах ротора и образования в статорном кольце рабочих камер. Оба конца каждого стержня жестко соединены с прилегающими пластинами, а внутренняя поверхность статорного кольца выполнена в виде соосного с его внешней поверхностью многогранника с числом рабочих граней, равным количеству пластин (заявка №94028922/06, публикация RU 2082903 С1, опубл. 27.06.1997).
Недостатками данной машины являются:
а) большой центробежный эффект статорного кольца, затрудняет всасывание рабочего тела через периферические отверстия;
б) строго четное число пластин увеличивает амплитуду пульсаций, что приводит к увеличению гидравлических потерь;
в) машина имеет подвижные, прижимаемые к внутренней поверхности статорного кольца центробежными силами пластины, что уменьшает надежность и срок службы механизма;
г) машина имеет ослабленный сквозными щелевыми пазами ротор, что уменьшает прочность механизма.
Известна двухсекционная роторная объемная машина, содержащая двухсекционный корпус с внутренней цилиндрической поверхностью в каждой секции, образующей полость рабочей секции, и с впускным и выпускным окнами, установленный в корпусе с возможностью вращения ротор с двумя лопастями по одному в каждой секции, радиально вытянутыми до герметичного контакта с внутренней цилиндрической поверхностью рабочей секции, установленный в каждой секции замыкатель со сквозным пазом по всей его длине. Ротор расположен внутри замыкателя, а лопасть выведена наружу через сквозной паз, ось вращения ротора совмещена с геометрической осью внутренней цилиндрической поверхности каждой секции. Лопасти неподвижно закреплены на роторе. Замыкатель выполнен в виде тонкостенного трубчатого элемента и свободно установлен в полости каждой секции. В стенках паза трубчатого элемента размещены элементы герметичного примыкания этих стенок к рабочим поверхностям лопасти, выполненной, по крайней мере, с одной вогнутой рабочей поверхностью. Данные элементы выполнены клиновидной формы со стороны, контактирующей с этими поверхностями. Лопасти на роторе смонтированы оппозитно, а полости секций сообщены между собой патрубком (патент RU 2254481 C1, F01C 1/32, F04С 2/32, опубл. 20.06.2005).
Недостатками данной машины являются:
а) двойное действие машины достигается за счет простого пассивного увеличения числа рабочих камер, тогда как пространство под замыкателем, которое также изменяет объем при работе машины, не используется. Это ведет к увеличению удельной массы машины, то есть к ее утяжелению;
б) наличие только одной лопасти приведет к большим пульсациям подачи рабочей жидкости и большим гидравлическим потерям и ударам в работе механизма, что уменьшает его эксплуатационную надежность и долговечность;
в) несмотря на то, что лопасти расположены оппозитно, вибрация механизма от знакопеременной центробежной силы, будет иметь место, так как лопасти вращаются в разных плоскостях, что уменьшает эксплуатационную надежность и долговечность машины.
Наиболее близким решением, принятым за прототип, является роторная машина на основе, которой построен «роторный двигатель непрерывного сгорания», содержащий корпус с кольцевой полостью, в которой эксцентрично расположен ротор с радиально расположенными в его пазах лопастями, разделяющими кольцевую полость на изменяющиеся рабочие объемы, механизм, воспринимающий центробежную силу лопастей, систему подвода и отвода рабочего тела и подачи топлива, выполненные в виде каналов и трубопроводов, камеру сгорания, вынесенную за пределы рабочих объемов. Механизм, воспринимающий центробежную силу лопастей, выполнен в виде двух стаканов, установленных на подшипниках концентрично корпусу, и башмаков или роликов, установленных на цапфах лопастей с возможностью поворота относительно цапф и опирающихся на внутренние поверхности стаканов (патент RU 2300647 С2, F02B 53/00, F01C 1/324, опубл. 10.06.2007).
Прототип имеет следующие недостатки:
а) вращающиеся торцевые крышки делают технически сложным осуществление теплоотвода от горячих частей машины, что значительно сужает сферу ее применения;
б) наличие вала отбора мощности и шестеренной передачи снижает механический КПД машины, уменьшает ее эксплуатационную надежность и долговечность;
в) наличие массивного ротора, необходимого для установки и нормальной работы лопастей, снижает массогабаритные характеристики машины;
г) в то время как механизм, воспринимающий центробежную силу обеспечивает круговую траекторию движения середин лопастей, траектории концов и начал лопастей не являются окружностями, так как плоскости лопастей при вращении ротора отклоняются от радиального направления, поэтому зазоры между корпусом и концами лопастей и зазоры между началами лопастей и внутренним корпусом, при вращении механизма будут значительно изменяться. Это обстоятельство требует либо дополнительных мер по уплотнению зазоров, либо приданию поверхностям, сопряженным с лопастями более сложной формы. И то и другое снижает технологичность машины, и ее эксплуатационные качества.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение сферы применения машины, уменьшение массогабаритных показателей, уменьшение потерь на трение, увеличение надежности и ресурса машины.
Указанная задача решается тем, что двухконтурная роторная машина содержит корпус с внутренней цилиндрической расточкой и каналами подвода и отвода рабочего тела, неподвижно соединенные с корпусом торцевые крышки, соосный с корпусом ротор, напрямую соединенный с приводным валом, имеющий цилиндрическую втулку с каналами для подвода и отвода рабочего тела, установленный в опоры вращения и образующий с корпусом кольцевую полость, вращающееся разделительное раздвижное кольцо, расположенное в кольцевой полости с эксцентриситетом, делящее ее на два отдельных рабочих контура, удерживаемое в собранном состоянии двумя вращающимися обоймами, установленными в кольцевые пазы, выполненные в торцевых крышках, лопасти, неподвижно закрепленные на втулке ротора и вытянутые в радиальном направлении, до образования зазора с корпусом, разделяющие кольцевую полость на парные изменяющиеся рабочие объемы.
Таким образом двухконтурная роторная машина, содержащая корпус с внутренней цилиндрической расточкой и каналами для подвода и отвода рабочего тела, имеющая кольцевую полость, ограниченную торцевыми крышками, ротор, имеющий каналы для подвода и отвода рабочего тела, установленный в опоры вращения, разделительное устройство, делящее кольцевую полость на два гидравлически независимых контура, лопасти установленные на втулке ротора, при этом кольцевая полость образована между корпусом и ротором, отличается тем, что разделительным устройством, разделяющим кольцевую полость на два отдельных гидравлически независимых контура, является вращающееся разделительное раздвижное кольцо, установленное в кольцевой полости с эксцентриситетом и состоящее из отдельных элементов, способных сдвигаться друг относительно друга в окружном направлении, при этом элементы кольца соединены каждый со своей лопастью через щелевое отверстие путем подвижного соединения, позволяющего элементу скользить вдоль лопасти в радиальном направлении и ограниченно вращаться на ней вокруг оси параллельной ротору.
Торцевые крышки неподвижно соединены с корпусом и могут иметь каналы для подвода и отвода рабочего тела.
Ротор установлен соосно с корпусом и напрямую соединен с приводным валом.
Кольцо является ведомым элементом машины и служит только для разделения объемов.
Лопасти установлены на втулке ротора неподвижно и вытянуты в радиальном направлении до образования зазора с корпусом.
Кольцо в сборе может быть вставлено в кольцевые обоймы, которые в свою очередь вставлены в кольцевые пазы в торцевых крышках, но может быть вставлено и непосредственно в кольцевые пазы, внутренние поверхности которых используются как опоры вращения.
Изобретение поясняется чертежами, на фиг.1 показан поперечный разрез машины, на фиг.2 продольный, на фиг.3 показан вариант подвижного соединения между элементами составного раздвижного кольца и лопастями.
Предлагаемая двухконтурная роторная машина (фиг.1, 2) содержит корпус 1 с внутренней цилиндрической расточкой и каналами подвода и отвода рабочего тела 2, неподвижно соединенные с корпусом торцевые крышки 3, соосный с корпусом ротор 4, напрямую соединенный с приводным валом 11, имеющий цилиндрическую втулку с каналами для подвода и отвода рабочего тела 5, установленный в опоры вращения 6 и образующий с корпусом кольцевую полость, вращающееся разделительное раздвижное кольцо 7, расположенное в кольцевой полости с эксцентриситетом, делящее ее на два отдельных рабочих контура А и Б, удерживаемое в собранном состоянии двумя вращающимися обоймами 8, установленными в кольцевые пазы 9, выполненные в торцевых крышках, лопасти 10, неподвижно закрепленные на втулке ротора и вытянутые в радиальном направлении, до образования зазора с корпусом, разделяющие кольцевую полость на парные изменяющиеся рабочие объемы.
Работа предлагаемой двухконтурной роторной машины осуществляется следующим образом. При вращении ротора 4 элементы составного раздвижного разделительного кольца 7 вовлекаются во вращение за счет подвижного соединения с лопастями 10, неподвижно установленными на роторе. Так как разделительное кольцо установлено с эксцентриситетом, расстояние между его элементами изменяется и элементы перемещаются друг относительно друга внутри обойм 8. Обоймы установлены в кольцевые пазы 9 с возможностью вращения. Под действием центробежных и газовых сил элементы раздвижного кольца прижимаются к внутренней поверхности обойм, заставляя их вращаться синхронно с разделительным кольцом. Таким образом, в сегменте кольцевой полости ограниченном каждой парой соседних лопастей, существуют два гидравлически независимых изменяющихся при вращении ротора рабочих объема, которые в совокупности по всей кольцевой полости создают два рабочих контура, действующие как две отдельные пластинчатые машины со своими каналами отвода и подвода рабочего тела.
Наличие обойм в предлагаемой машине теоретически не обязательно, то есть принцип работы машины не изменился бы, если бы разделительное раздвижное кольцо было установлено прямо в кольцевые пазы торцевых крышек, но практически, при создании на основе этой конструкции действующей машины, наличие обойм необходимо, так как они принимают на себя центробежные и компрессионные усилия, полностью разгружая внутренние поверхности торцевых пазов от сил трения на высоких скоростях, кроме того, обоймы значительно упростят сборку и сделают машину более технологичной.
Таким образом, предлагаемая двухконтурная роторная машина имеет следующие отличительные признаки от прототипа:
а) кольцевая полость в двухконтурной роторной машине образована не между наружным и внутренним корпусом, а между ротором, корпусом и торцевыми крышками;
б) у прототипа торцевые крышки вращаются, создавая дополнительные поверхности трения и затрудняя устройство теплоотвода от горячих частей машины, а у предлагаемой конструкции крышки не подвижны, что устраняет указанные выше недостатки и дополнительно делает возможным устройство в торцевых крышках каналов для подвода и отвода рабочего тела;
в) прототип имеет эксцентрично установленный ротор, а в предлагаемой машине ротор установлен соосно с корпусом, что упрощает конструкцию и уменьшает габариты машины в поперечном сечении;
г) в прототипе вращающий момент передается от ротора к приводному валу через шестеренное зацепление, что значительно снижает надежность и КПД тогда как в предлагаемой машине ротор напрямую соединен с приводным валом;
д) в прототипе, устройством, разделяющим кольцевую полость на два отдельных гидравлически независимых контура, является ротор, а в предлагаемой машине - вращающееся разделительное раздвижное кольцо, установленное в кольцевой полости с эксцентриситетом;
е) в прототипе ротор является одновременно и разделяющим элементом и элементом, воспринимающим и передающим крутящий момент, а в двухконтурной роторной машине разделительное кольцо является ведомым элементом машины и служит только для разделения объемов;
ж) в отличие от цельного ротора прототипа, разделяющего кольцевую полость на два контура, разделительное кольцо предлагаемой машины является составным и раздвижным, состоящим из отдельных элементов способных сдвигаться друг относительно друга в окружном направлении, а также будучи соединенными каждый со своей лопастью через щелевое отверстие путем подвижного соединения, скользить вдоль нее в радиальном направлении и ограниченно вращаться на ней вокруг оси, параллельной ротору;
з) в отличие от прототипа, в котором лопасти подвижны относительно ротора, в двухконтурной роторной машине лопасти установлены на втулке ротора неподвижно, что повышает прочность и надежность механизма;
и) в отличие от прототипа, ротор которого неподвижно соединен с торцевыми крышками и вращается вместе с ними, раздвижное разделительное кольцо, установлено в кольцевые пазы, выполненные с эксцентриситетом в торцевых крышках и вращается в них как в опорах вращения, причем раздвижное кольцо технически более целесообразно устанавливать в кольцевые пазы не напрямую, а используя кольцевые обоймы, принимающие на себя действие центробежных и газовых сил.
Указанные отличительные признаки существенны и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Список использованных источников
1. Заявка №94028922/06, публикация RU 2082903 С1, опубл. 27.06.1997,
2. Патент RU 2254481 С1, F01C 1/32, F04C 2/32, опубл. 20.06.2005,
3. Патент RU 2300647 C2, F02B 53/00. F01С 1/324, опубл. 10.06.2007.