РОТОРНО-ЛОПАСТНОЕ УСТРОЙСТВО
ROTARY-VANE DEVICE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к роторно-лопастным устройствам, и может использоваться в двигателях внутреннего и внешнего сгорания, пневмодвигателях, компрессорах, насосах, детандерах.
Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому техническому результату, выбранным в качестве прототипа к заявляемому устройству, является двигатель, приводимый в действие средой под давлением, подаваемой из внешнего источника давления, и содержащий корпус с торцевыми крышками и не соосно размещенный в нем ротор с лопастями, при этом каждая лопасть соединена с ротором через ось, параллельную оси ротора, и опирается роликом, установленным на конце лопасти, на внутреннюю поверхность корпуса, а также впускные и выпускные клапаны для прохода рабочего тела (евразийская заявка на изобретение ЕА 200700370 А1, опубл. 31.08.2007 г., МПК F01С 1/44, F04C 2/324).
Недостатками прототипа являются большие силы трения в паре лопасть-корпус, пониженный КПД устройства.
Задачей заявленного изобретения является повышение КПД устройства, уменьшение износа деталей от трения в паре лопасть-корпус. Поставленная задача достигается тем, что в роторно-лопастном устройстве, содержащем корпус с торцевыми крышками и не соосно размещенный в нем ротор с лопастями, согласно изобретению, на внутренней поверхности торцевых крышек вдоль соединения торцевых крышек с корпусом выполнены пазы, каждая лопасть соединена с ротором через ось, параллельную оси ротора, и снабжена на конце узлом качения-уплотнения, состоящим из трех роликов или шариков, расположенных на одной оси, при этом лопасти опираются на края пазов крайними соответственно роликами или шариками узла качения-уплотнения, без соприкосновения с наружными краями пазов, и средним роликом на внутреннюю поверхность корпуса. Поверхности ротора и лопастей выполнены с выступами и углублениями, создающими несколько разделенных друг от друга объемов между корпусом, ротором и лопастями. Ротор и лопасти изготовлены полыми и имеют клапаны, обеспечивающие перекрытие объема, образуемого полыми ротором и лопастями, на входе и выходе.
Заявленное роторно-лопастное устройство представлено на следующих фигурах:
фиг.1 - роторно-лопастное устройство в поперечном разрезе корпуса, компрессорная секция;
фиг.2 - роторно-лопастное устройство в поперечном разрезе корпуса, рабочая секция;
фиг.3 - роторно-лопастное устройство в продольном разрезе корпуса;
фиг.4 - лопасти роторно-лопастного устройства.
Роторно-лопастное устройство содержит цилиндрический корпус 1 с торцевыми крышками 2 и не соосно размещенный в нем ротор 3 с лопастями 4, при этом лопасти 4 соединены с ротором 3 через оси 5. Лопасти 4 на концах имеют узлы качения-уплотнения 6. Корпус 1 имеет внутреннюю цилиндрическую поверхность 7. Края пазов 8, выполненные в торцевых крышках 2 корпуса 1, параллельны поверхности 7. Узлы качения-уплотнения 6 имеют ролики или шарики 9 и 10. Ширина пазов 8 равна диаметру роликов или шариков 10, но на поверхности 7 в местах совмещения с краями пазов 8 выполнены технологические зазоры. Лопасти 4 выполнены полыми и имеют клапаны 11 и 12. Роторно-лопастное устройство составляет основу роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания. Роторно-лопастный двигатель внутреннего сгорания имеет компрессорную 13 и рабочую 14 секции. Рабочая секция 14 корпуса 1 имеет выпускной управляемый клапан 15, топливную форсунку 16 и свечу зажигания 17. Компрессорная секция 13 имеет впускной клапан 18. Края лопастей 4, прилегающие к торцевым крышкам 2, могут быть оборудованы уплотнительными пластинами 19.
Роторно-лопастный двигатель работает следующим образом. Лопасти 4 делят внутренние объемы каждой секции 13 и 14 корпуса 1 на три камеры, причем максимальный угол раскрытия лопастей 4 к поверхности 7 менее 90°. При раскрутке ротора 3 лопасти 4 начинают складываться и раскрываться, изменяя объем камер секций 13 и 14, чему способствует смещенность осей ротора 3 и корпуса 1. Во всех камерах секций 14 проходят поочередно одинаковые термодинамические процессы. Отклонение лопастей 4 в секциях 13 и 14 разнонаправленное. Компрессорная секция 13 через впускной клапан 18 имеет сообщение с атмосферным воздухом. Лопасти 4 сжимают атмосферный воздух, который под давлением через самооткрывающиеся клапаны 11 подается во внутреннюю полость лопастей 4 и ротора 3 и через самооткрывающиеся клапаны 12 подается в камеру рабочей секции 14. При движении лопасти 4 рабочей секции 14 к верхней мертвой точке поступивший сжатый воздух дожимается, топливная форсунка 16 впрыскивает топливо и перед подходом лопасти 4 к верхней мертвой точке топливовоздушная смесь воспламеняется от свечи зажигания 17. Следует рабочий ход, в конце которого в этой камере открывается выпускной управляемый клапан 15, через который отработанный газ покидает двигатель и начинается новый цикл. При вращении ротора 3, ролики или шарики 9 и 10, соприкасаясь с поверхностями 7 и 8, вращаются на одной оси, но в разные стороны, обеспечивая постоянный контакт ролика 9 с поверхностью 7, что предотвращает перетекание рабочих газов между соседними камерами. Технологический зазор, выполненный на поверхности 7, не позволяет роликам 10 соприкасаться с наружными краями пазов 8. Охлаждение ротора 3, лопастей 4 и клапанов 11 и 12, установленных на лопастях 4, осуществляется атмосферным воздухом, проходящим через них. Корпус 1 имеет воздушную или жидкостную системы охлаждения.
Углубления и выступы в роторе 3 и лопасти 4 делят объем камеры при складывании лопасти 4 на два объема, в один из которых подается порция топлива. Топливовоздушная смесь воспламеняется от сжатия или от свечи зажигания 17 и при дальнейшем складывании лопасти 4 открывается канал, соединяющий объемы между собой. Бедные и богатые топливовоздушные смеси активно перемешиваются, сгорая с большей полнотой. Оба объема имеют избыточное давление, преобразуемое лопастью 4 в крутящий момент ротора 3.
Представленное роторно-лопастное устройство решает несколько задач:
Повышение КПД происходит благодаря увеличению эффективной площади лопасти 4 при совершении рабочего хода, что позволяет достичь эффекта продолженного расширения. Повышение КПД происходит от боковой составляющей, возникающей при давлении рабочих газов на лопасти 4, одновременно раздвигающих лопасти 4, которые при взаимодействии с поверхностью 7 образуют боковую составляющую от этого давления. Увеличение механического КПД и уменьшение износа происходит в связи с уменьшением трения в паре корпус-лопасть, замененного качением. Тепловые потери в стенки корпуса 1 уменьшаются, т.к. камера сгорания расположена в узкой части цилиндрического корпуса 1. За счет конструктивной особенности лопасти 4 достигается снижение потерь работы двигателя на сжатие рабочего газа. Снижение температуры лопастей 4 и ротора 3, достигаемое при пропуске атмосферного или сжатого газа через полости ротора 3 и лопастей 4, преобразуется в давление поступающего газа. Более полное сгорание топлива, влияющее на экономичность и экологичность двигателя, содержащего заявленное роторно-лопастное устройство, происходит за счет оптимального соотношения топливовоздушной смеси в разных объемах и обеспечивается профилированием геометрии лопастей 4, разделяющих объем камер двигателя на несколько объемов при складывании лопастей 4. Возможность воспламенения топливовоздушной смеси от сжатия в одном из объемов камеры двигателя позволяет исключить применение электроискровых или плазменных источников поджига топливовоздушной смеси.
Благодаря новой совокупности существенных признаков заявляемого решения достигается следующее:
- увеличение термического КПД;
- увеличение механического КПД и долговечности роторно-лопастного устройства, за счет снижения износа между корпусом 1 и лопастями 4;
- снижение вредных выбросов за счет более полного сгорания углеводородного топлива и продолженного расширения.