РОТОРНО-ЛОПАСТНАЯ МАШИНА
ROTARY-VANE MACHINE

1. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при создании роторно-лопастных двигателей, насосов, компрессоров, гидроприводов.
2. Уровень техники
Известна роторная машина, содержащая корпус, торцовые крышки с окнами подвода и отвода рабочей среды, соосные валы с шестернями, установленные на валах роторы с лопастями, образующие рабочие камеры, и промежуточный вал с шестернями. Причем механизм неравномерного вращения роторов образован с помощью овальных шестерен. Применение овальных шестерен затрудняет использование данной машины из-за нетехнологичности их изготовления. Поэтому в данной машине применен механизм неравномерного вращения роторов в виде сложного карданного механизма с регулировочным винтом, обеспечивающим регулирование производительности, за счет изменения угла преломления в шарнирах. Данный механизм не может обеспечить необходимую амплитуду колебаний роторов для создания высокопроизводительной машины без увеличения числа лопастей роторов. Примененный в данной роторной машине механизм с прерывистым движением роторов имеет существенный недостаток в том, что неизбежны ударные нагрузки на все звенья машины. (а.с. SU № 1521914, кл. F04С 18/00).
Известен роторно-лопастной двигатель, содержащий корпус с всасывающим и выхлопным окнами, торцовую крышку, центральный вал и два лопастных ротора, валы которых установлены на центральном валу соосно с ним и с возможностью независимого вращения от него и один от другого, жестко закрепленный вне корпуса на наружном конце центрального вала маховик, свечу зажигания, и механизм периодического изменения скоростей вращения роторов, который содержит полуось, установленную на эксцентриковом элементе с наружной стороны торцовой крышки параллельно центральному валу с возможностью ее перемещения по эксцентричной относительно центрального вала окружности, посредством ее закрепления на эксцентриковом кольце, установленном эксцентрично центральному валу с возможностью его вращения вокруг своей оси на опорных подшипниковых элементах, которые укреплены с внешней стороны торцовой крышки. Два водила жестко закреплены по одному на наружных концах вала каждого ротора, причем водила размещены вдоль радиусов, симметрично расположенных по разные стороны от указанной полуоси, а свободный конец каждого из водил шарнирно связан с ней посредством тяги. На наружном конце центрального вала жестко закреплено третье водило, сквозь радиальный паз которого проходит указанная полуось с возможностью ее перемещения вдоль указанного паза. (RU № 2054122, кл. F01С 1/00, 1994).
Однако силовой импульс от расширяющихся газов, действующих на лопасти, передается на центральный вал через посредство эксцентрикового элемента. Причем равнодействующая сила от сил, передаваемых роторами на полуось, закрепленную на эксцентриковом элементе, действует всегда в направлении радиуса и изменяется лишь по знаку и величине. Если разложить эту силу на составляющие в направлении нормали к окружности, по которой движется полуось и в направлении касательной к этой окружности, то видно, что составляющая в направлении нормали значительно больше по величине, чем составляющая в направлении касательной. Полезной является лишь составляющая в направлении касательной, а составляющая в направлении нормали нагружает эксцентриковый элемент и вызывает значительную вибрацию. Полезный силовой импульс мал, по сравнению с импульсом, получаемым от расширяющихся газов. Поэтому затруднительна передача силового импульса от роторов к центральному валу, что является недостатком этого роторно-лопастного двигателя.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности и простоте конструкции является роторно-лопастная машина, имеющая неподвижный корпус, внутри которого вращаются лопастные роторы с изменяющейся скоростью. Роторы закреплены на соосных валах, имеющих на свободных концах водила. Механизм периодического изменения скоростей и синхронизации вращения роторов и выходного вала выполнен в виде установленного на внутреннем конце выходного вала водила с свободно вращающимися на полуосях зубчатыми колесами, на дисках которых установлены полуоси, и неподвижного зубчатого колеса, входящего в зацепление с этими зубчатыми колесами. Водила на концах валов с роторами имеют радиальный паз, сквозь который проходит полуось, установленная на диске зубчатого колеса. Полуоси, установленные на дисках зубчатых колес, могут быть связаны с концами водил шарнирно с помощью тяг (RU № 2175720, кл. F01С 1/00, 1999).
В процессе работы машины, резко изменяющиеся нагрузки, действующие на звенья механизма периодического изменения скоростей со стороны газов, полностью воспринимаются зубчатым зацеплением, поэтому требуют высокой прочности поверхностей зубьев зубчатых колес, что ведет к снижению надежности зубчатого зацепления и самой машины.
Задача изобретения - снизить нагрузки в зубчатых зацеплениях механизма периодического изменения скоростей и синхронизации вращения роторов и выходного вала за счет передачи на зубчатые зацепления только той части нагрузки, действующей со стороны газов, которая является равнодействующей пары сил, приложенных к коленчатому валу. Таким образом, большая часть экстремальных нагрузок взаимно компенсируются на коленчатом валу и зубчатые зацепления воспринимают полезный вращающий момент.
3. Сущность изобретения
Данная задача решается в роторно-лопастной машине, содержащей полый цилиндрический корпус с впускными и выпускными отверстиями, торцовые крышки, выходной вал, два соосных с выходным валом вала с лопастными роторами, разделяющими внутренний объем корпуса на изолированные друг от друга полости, и механизм периодического изменения скоростей и синхронизации вращения роторов и выходного вала, который выполнен в виде двух водил, установленных на свободных концах двух валов, соосных с выходным валом, водила, установленного соосно с выходным валом, с установленным на нем, по меньшей мере, одним коленчатым валом, на котором установлено зубчатое колесо, входящее в зацепление с неподвижным зубчатым колесом, причем кривошипы коленчатого вала связаны с водилами двух валов.
Кроме того, водило, может быть установлено на выходной вал.
Кроме того, выходной вал может иметь зубчатое колесо, входящее в зацепление с зубчатым колесом, установленным на коленчатом валу.
Кроме того, водила на концах валов с роторами могут иметь радиальный паз, сквозь который проходит кривошип коленчатого вала.
Кроме того, водила на концах валов с роторами могут быть шарнирно связаны тягами с кривошипами коленчатого вала.
Отличительным признаком от наиболее близкого аналога является применение в предлагаемой машине коленчатого вала. Для получения технического результата во всех случаях необходим механизм периодического изменения скоростей и синхронизации вращения роторов и выходного вала, который выполнен в виде установленного соосно с выходным валом водила, с установленным на нем по меньшей мере одним коленчатым валом, на котором установлено зубчатое колесо, входящее в зацепление с неподвижным зубчатым колесом, причем кривошипы коленчатого вала связаны с водилами двух валов.
Для обеспечения передачи вращающего момента от коленчатого вала на выходной вал возможны два пути. Первый путь - вариант установки водила на выходном валу. Передача через опоры водила, на которых установлен коленчатый вал, на выходной вал. Второй путь - вариант установки на выходной вал зубчатого колеса, входящего в зацепление с зубчатым колесом, установленным на коленчатом валу. Передача через зубчатое зацепление.
Для обеспечения связи валов с роторами с коленчатым валом возможны два варианта. Первый вариант - водила на концах валов с роторами могут иметь радиальный паз, сквозь который проходит кривошип коленчатого вала. Второй вариант - водила на концах валов с роторами могут быть шарнирно связаны тягами, с кривошипами коленчатого вала.
Таким образом, при вращении выходного вала, а следовательно, и водила с коленчатым валом, кривошипы коленчатого вала описывают кривую, форма которой зависит от отношения чисел зубьев неподвижного зубчатого колеса, и зубчатого колеса установленного на коленчатом валу, а также от расстояния между осью коленчатого вала и осью кривошипа и размеров тяг. Поскольку рабочие газы действуют на роторы во всех направлениях одинаково, то результирующие вращающие моменты на водилах на концах валов с роторами всегда направлены противоположно друг другу. Нагрузки складываются векторно на коленчатом валу, и в результате нагрузки в зубчатом зацеплении значительно меньше и более равномерно распределены по зубьям колеса, установленного на коленчатом валу.
4. Перечень чертежей
На фиг.1 изображена роторно-лопастная машина в разрезе; на фиг.2 - разрез по роторам; на фиг.3 - разрез по механизму периодического изменения скоростей для варианта соединения коленчатого вала с водилом при помощи тяг; на фиг.4 - разрез по механизму периодического изменения скоростей для варианта соединения коленчатого вала с водилом непосредственно через паз; на фиг.5 изображена роторно-лопастная машина в разрезе для варианта установки водила на выходном валу.
5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Опишем здесь конструкцию четырехтактной роторно-лопастной машины с четырьмя лопастями на каждом роторе, для варианта с двумя коленчатыми валами на водиле, зубчатым колесом, установленным на выходном валу, и кривошипы коленчатых валов связаны с водилами посредством тяг, предназначенную для работы в качестве двигателя внутреннего сгорания. Роторно-лопастная машина содержит корпус 1, крышку 2, крышку 3. В корпусе 1 и крышке 2 установлены роторы 4 и 5, попарно закрепленные на валах 6 и 7, на свободных концах которых установлены водила 8 и 9. Валы 6 и 7 опираются на подшипники 10. В корпусе 1 имеются отверстия для свечей зажигания 11, впускные 12 и выпускные 13. В крышках 2 и 3 соосно с роторами установлены подшипники 14, на которые опирается выходной вал 15. На валу 15 установлено зубчатое колесо 16. Водило 17 с установленными на подшипниках 18 коленчатыми валами 19 с установленными на них зубчатыми колесами 20, входящими в зацепление с зубчатым колесом 21 на внутренней стороне корпуса 1. Кривошипы коленчатых валов связаны с водилами 8 и 9 тягами 22 и 23. Водило 17 установлено на подшипниках 24. Отношение чисел зубьев неподвижного зубчатого колеса 21 и подвижного зубчатого колеса 20 равно четырем.
Двигатель работает следующим образом. При вращении выходного вала 15 зубчатые колеса 20 катятся по неподвижному зубчатому колесу 21 и через кривошипы коленчатых валов 19 и тяги 22 и 23 воздействуют на водила 8 и 9, а через них и валы 6 и 7 на роторы 4 и 5 соответственно. Вследствие этого происходят поочередно впуск, сжатие, зажигание горючей смеси, расширение газов и выпуск в каждой полости, образованной разделением лопастями роторов внутреннего объема корпуса 1 и крышки 2. При горении смеси давление в полости значительно возрастает. Лопасти воспринимают давление газов и передают на валы 6 и 7 равные по значению и противоположно направленные моменты сил. Эти моменты передаются на водила 8 и 9. Силы, действующие со стороны водил 8 и 9 на кривошипы коленчатого вала 19, создают вращающий момент на коленчатом валу, который передается на выходной вал через зубчатое зацепление. Колеса 16, 20, водило 17, коленчатые валы 19 также выполняют функцию маховика.