РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROTARY ENGINE

Изобретение относится к категории двигателей и может быть использовано в области машиностроения.
Аналогичные технические решения известны, например четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) (см. «Двигатели внутреннего сгорания» в 3 кн. Учебник под ред. В.Н.Луканина. М.: Высшая школа, 1995). Двигатель имеет четыре такта при работе: впуск, сжатие, сгорание и выпуск. При сгорании топлива в цилиндре ДВС происходит преобразование энергии, полученной при сгорании топливной смеси, в механическое возвратно-поступательное движение поршня, которое затем преобразуется во вращательное движение вала посредством коленчатого вала. Общими признаками предлагаемого решения и аналога, описанного выше, является преобразование энергии рабочего тела во вращательное движение вала.
Преимущества ДВС:
- технически отработанная конструкция,
- широкое распространение.
Недостатки ДВС:
- низкий КПД,
- необходимость преобразовывать возвратно-поступательное движение во вращательное,
- большое количество деталей.
Технический результат, которого невозможно достичь аналогом - прямое преобразование энергии рабочего тела во вращательное движение.
Известно также техническое решение, выбранное в качестве прототипа - роторный двигатель Ванкеля (см. «Ванкеля двигатель», Большая Советская Энциклопедия, М., Советская энциклопедия).
Роторно-поршневой двигатель Ванкеля представляет собой корпус, в котором установлен трехгранный ротор, имеющий зубчатое колесо. Колесо обкатывается вокруг неподвижной шестерни, установленной в корпусе, вследствие чего ротор совершает в корпусе движение по эпитрохоидальной поверхности. Между корпусом и поверхностью ротора поочередно образуются замкнутые полости, выполняющие функции камер двигателя. Двигатель работает по четырехтактному циклу.
Преимущество двигателя Ванкеля:
- прямое преобразование энергии сжигания топливной смеси во вращательное движение;
- высокая удельная мощность.
Недостатки роторного двигателя Ванкеля:
- высокие требования к технологичности изготовления,
- относительно небольшой моторесурс,
- повышенный расход топлива.
Общими признаками предлагаемого решения и аналога, описанного выше, являются преобразование энергии рабочего тела непосредственно во вращательное движение.
Технический результат, которого невозможно достичь аналогом, описанным выше, заключается в невозможности упрощения конструкции и повышения КПД.
Причиной невозможности получения технического результата является то, что данная компоновочная схема работает по сложной траектории движения движущихся частей двигателя.
Учитывая анализ и характеристики аналогичных технических решений, можно сделать вывод, что создание конструктивно простого и эффективного двигателя роторного типа является актуальной задачей.
Сущность изобретения поясняется нижеследующими описаниями и чертежами, где на фиг.1 представлен корпус роторного двигателя с установленным в нем отсекателем, на фиг.2 и 3 представлен разрез корпуса с ротором и отсекателем, на фиг.4 показан разрез ротора в районе паза изменяемой глубины.
Технический результат, указанный выше, достигается тем, что конструкция роторного двигателя представляет собой (фиг.1):
- корпус 1, в котором установлены ротор и отсекатель и имеются каналы для подачи и отвода рабочего тела;
- ротор 2, в котором имеется незамкнутый паз 4 постоянной ширины и переменной глубины;
- отсекатель 3, установленный в корпусе 1, входящий в паз на роторе 2 по его ширине, который имеет возможность совершать возвратно-поступательные движения в профилированном отверстии корпуса 1.
Ротор 2 представляет собой цилиндрическую деталь, устанавливаемую в корпус таким образом, чтобы он мог свободно вращаться в корпусе двигателя, но при этом зазор между корпусом и ротором был минимальным. В необходимых случаях известными техническими способами производится уплотнение зазора между корпусом и ротором. В плоскости, перпендикулярной оси вращения, в роторе изготовлен незамкнутый паз 4 постоянной ширины и переменной глубины. В комбинации с другими деталями двигателя паз выполняет функцию камеры расширения, в которой происходит преобразование физической энергии рабочего тела во вращательное движение ротора. Профиль паза показан на фиг.4, где показан разрез ротора в зоне паза. Внутренняя (глубинная) поверхность паза в роторе образована тремя рабочими участками:
- участок опускания отсекателя обозначен линией EF. На этом участке происходит опускание отсекателя на участок уплотнения, поэтому он сделан криволинейным с таким расчетом, чтобы обеспечить плавное движение отсекателя от поверхности ротора к зоне уплотнения при вращении ротора. Глубина паза на этом участке изменяется от ноля до диаметра поверхности уплотнения;
- участок уплотнения обозначен линией BCD и представляет собой цилиндрическую либо профилированную поверхность, образованную правильной окружностью вокруг центра ротора. Качество изготовления поверхности уплотнения определяется классом двигателя. Протяженность поверхности уплотнения определяется конструктивными особенностями двигателя;
- участок поднимания отсекателя обозначен линией АВ. На этом участке отсекатель отжимается внутренней (глубинной) поверхностью паза от участка уплотнения до поверхности ротора, поэтому он изготавливается криволинейным, чтобы обеспечить плавное поднимание отсекателя от участка уплотнения до поверхности ротора. Глубина паза на этом участке изменяется от диаметра поверхности уплотнения до ноля;
- между краями паза имеется участок на поверхности ротора, обозначенный линией AF. Ширина этого участка определяется конструктивными особенностями двигателя и рассчитывается таким образом, чтобы минимизировать потери на утечку рабочего тела при работе двигателя. В необходимых случаях названная поверхность уплотняется известными техническими способами.
Таким образом, между началом паза и его концом расположена поверхность ротора.
Боковые стенки паза в роторе параллельны друг другу и образованы параллельными плоскостями, расположенными перпендикулярно оси вращения ротора.
В необходимых случаях возможно также использование в роторе профилированного паза, при котором его боковые стенки образованы криволинейными поверхностями либо непараллельны.
Для использования двигателя в качестве привода механизмов к ротору известными техническими способами подсоединяется вал отбора мощности.
Отсекатель 3 представляет собой массивную вытянутую по длине деталь, установленную в отверстие в корпусе 1 двигателя. Продольная ось отсекателя расположена посередине паза в роторе и расположена в плоскости, перпендикулярной оси ротора. Отсекатель имеет ширину, равную ширине паза в роторе, и может совершать возвратно-поступательные движения в пазе и отверстии в корпусе по прямой линии, перпендикулярной оси ротора. Отсекатель должен быть изготовлен таким образом, чтобы минимизировать потери на утечку рабочего тела при работе двигателя между стенками паза в роторе и отсекателем. Рабочая часть отсекателя, непосредственно прилегающая к участку уплотнения паза ротора, должна максимально точно повторять профиль участка уплотнения для наиболее эффективного уплотнения этого участка. При необходимости поверхности отсекателя уплотняются известными техническими способами. Размеры отсекателя должны рассчитываться с учетом значительных нагрузок, которые он воспринимает при работе двигателя.
Корпус роторного двигателя 1 представляет собой деталь, в которой имеется отверстие для ротора 2, каналы для подачи 6 и отвода 7 рабочего тела и профилированное отверстие для отсекателя. Отверстие для ротора должно быть изготовлено таким образом, чтобы обеспечить свободное вращение ротора и при этом минимализировать потери рабочего тела между стенками отверстия и поверхностью ротора. Отверстие для отсекателя должно быть изготовлено таким образом, чтобы обеспечить свободное возвратно-поступательное движение отсекателя и при этом минимизировать потери рабочего тела между стенками отсекателя и стенками отверстия для него в корпусе. При необходимости поверхности отверстия для отсекателя, прилегающие к отсекателю, уплотняются известными техническими способами.
Таким образом, мы имеем роторный двигатель, содержащий корпус с отверстиями для ротора и отсекателя и каналы для подачи и отвода рабочего тела, ротор, имеющий незамкнутый профилированный паз изменяемой глубины, расположенный в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, выполняющий функции камеры расширения, и отсекатель, установленный в корпусе и входящий в паз на роторе, имеющий возможность совершать возвратно-поступательные движения в корпусе и пазе ротора, где между началом паза на роторе и его концом расположена поверхность ротора.
Материалы для изготовления деталей предложенного роторного двигателя - любые известные конструкционные материалы. Материалы для конструкции двигателя подбираются в зависимости от класса двигателя, цикла работы, используемого рабочего тела и других инженерных параметров.
Предложенная конструкция роторного двигателя может работать по любому из двух основных циклов работы двигателя - внешнему циклу и как двигатель внутреннего сгорания.
Рассмотрим принцип работы роторного двигателя при работе по внешнему циклу.
Примем, что на начальном этапе работы роторного двигателя отсекатель 3 находится на поверхности ротора 2 - на участке AF. При повороте ротора против часовой стрелки отсекатель проникает в паз ротора и углубляется в него по участку опускания (положение на фиг.2). Движение отсекателя на этом участке осуществляется принудительно. Механизм прижимания отсекателя может быть различным, в зависимости от конструкции двигателя - начиная от обычной пружины и заканчивая более сложными техническими решениями - пневматический, гидравлический или иной привод. При достижении отсекателем участка уплотнения он прижимается к этому участку на линии ED, обеспечивая герметизацию в камере расширения. В момент прижатия отсекателя к участку уплотнения паза ротора внутри ротора образуется замкнутый объем 5, ограниченный боковыми стенками паза ротора, корпусом двигателя, поверхностью EF паза ротора и поверхностью EG отсекателя (фиг.2). Этот замкнутый объем в дальнейшем будем называть камерой расширения. В камеру расширения через канал 6 корпуса подается рабочее тело. В качестве рабочего тела при внешнем цикле работы двигателя может использоваться сжатый газ, жидкость под давлением, пар.
1
2
1
2
При попадании в камеру расширения рабочее тело за счет физических свойств расширения создает усилие на стенках камеры расширения. При этом возникают две неуравновешенные силы - сила F на участке EG отсекателя и сила F на участке EF паза ротора (фиг.2). Сила F передается через отсекатель на корпус двигателя и гасится. Сила F действует на ротор на плече относительно оси вращения ротора, вследствие чего возникает вращательный момент вокруг оси ротора, приводящий к его вращению. При вращении ротора объем камеры расширения увеличивается.
При достижении положения, показанном на фиг.3, ротор приходит в положение, в котором оказывается открытым канал 7 в корпусе, рабочее тело покидает камеру расширения, давление в камере расширения сбрасывается, детали камеры расширения размыкаются, и паз в роторе своей поверхностью АВ отжимает отсекатель на поверхность ротора. Затем цикл повторяется.
2
Таким образом, мы имеем два цикла работы двигателя - рабочий ход от положения на фиг.2 до положения на фиг.3 и холостой ход от положения на фиг.3 до положения на фиг.2. Сила F действует на ротор постоянно все время рабочего хода двигателя, создавая стабильный крутящий момент. Вращение ротора во время холостого хода при рассмотренном выше однокамерном роторном двигателе может быть организовано с помощью маховика, что допустимо в двигателях, работающих с малой мощностью.
Однако работа предложенного роторного двигателя с одной камерой технически не рациональна. Наиболее эффективный технический результат может быть получен при изготовлении на одном роторе нескольких, минимум двух, камер расширения, работающих со смещенными циклами, т.е. когда одна из камер находится в положении холостого хода, в другой камере осуществляется рабочий ход. Дополнительные камеры расширения располагаются на роторе на некотором расстоянии друг от друга в виде параллельных профилированных пазов, аналогичных описанному пазу. Каждая из дополнительных камер должна иметь свой отсекатель. В этом случае роторный двигатель будет иметь постоянный крутящий момент. На фиг.1 показан дополнительный паз 8 с индивидуальным отсекателем 9.
Количество камер расширения, расстояние между ними, профиль пазов и циклы работы двигателя определяются конструктивными особенностями двигателя.
Преимущество предложенного технического решения:
- простота конструкции, выраженная в минимальном количестве деталей двигателя;
- высокая технологичность изготовления, обусловленная тем, что основные рабочие поверхности двигателя имеют простые формы - прямые линии и окружности. Простейший двигатель, изготовленный без применения специальных методов уплотнения, например, паровой или пневматический, можно изготовить в любой механической мастерской без использования прецизионного оборудования;
- высокий КПД двигателя. Рабочий ход одной камеры расширения двигателя может составлять до 270 и более градусов оборота ротора, что позволяет максимально эффективно использовать физические свойства энергии рабочего тела при преобразовании ее во вращательное движение;
- низкий расход рабочего тела;
- возможность получения высокой удельной мощности двигателя при минимальных габаритных размерах;
- абсолютная уравновешенность двигателя;
- малая шумность двигателя за счет возможности эффективного использования рабочего тела;
- высокие обороты двигателя;
- экологичность двигателя, работающего по принципу ДВС, за счет наиболее полного сгорания топлива. Возможность этого обеспечивается длинным рабочим циклом.
Таким образом, предложенный роторный двигатель позволяет значительно улучшить технические характеристики машин и механизмов. Применение предложенного технического решения позволяет создать новый этап в машиностроении.