РОТОРНО-ПОРШНЕВАЯ МАШИНА ОБЪЕМНОГО РАСШИРЕНИЯ
ROTARY PISTON MACHINE OF VOLUMETRIC EXPANSION

Область техники
Предлагаемая роторно-поршневая машина объемного расширения может использоваться в качестве двигателей внутреннего и внешнего сгорания, холодильных машин, насосов и нагнетателей различных газов и жидкостей.
Изобретение относится к конструкции роторно-поршневых машин (далее РПМ), содержащих рабочую полость с объемно-вытеснительными элементами РПМ - лопастными поршнями, плунжерами, манжетами, находящимися в одном корпусе (секции).
Их согласованное движение осуществляется планетарным механизмом. Такой механизм обеспечивает взаимно-относительное вращательно-колебательное движение объемно-вытеснительных элементов РПМ.
РПМ с такими объемно-вытеснительными элементами - в зависимости от дополнительного оборудования - способны работать в качестве роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания (далее РПДВС) на произвольном жидком и/или газообразном топливе в режиме внутреннего и/или внешнего смесеобразования. Кроме того, РПМ с такими планетарными кинематическими механизмами способны работать в качестве роторно-поршневых двигателей с замкнутым циклом рабочего тела, например, по циклу Стерлинга (их еще называют двигателями внешнего сгорания).
Они предназначены для оснащения:
а) различных транспортных средств, например легковых автомобилей, такси и грузовиков;
малогабаритных судов типа моторных лодок, катеров и яхт; сверхлегких и легких летательных аппаратов типа парамоторов, моторных дельтапланов, самолетов и особенно легких вертолетов;
б) мототехники для активных видов отдыха и спорта, такой как мотоциклы, тетрациклы, скутеры и снегоходы;
в) тракторов, комбайнов и иных самоходных сельскохозяйственных орудий;
г) компактных и мобильных электрогенераторов.
Также подобные РПМ могут работать в качестве холодильных машин, например, для охлаждения продуктов.
Кроме того, роторно-поршневые машины с такими объемно-вытеснительными элементами могут работать в качестве компрессоров, нагнетателей воздуха и/или различных газов, вакуумных машин, а также гидроперекачивающих устройств:
а) для наполнения различных емкостей, например, шин автомобилей и самолетов;
б) подачи сжатого воздуха для различных технологических нужд, например для пневмоинструмента;
в) для откачивания воздуха и других газов в технологическом оборудовании, например в вакуумных печах;
г) для объемного перекачивания жидкостей, например, в технологических линиях для мерного наполнения объема(ов).
Применительно только к изобретению здесь и далее обозначены:
термином «РПМ - роторно-поршневая машина» - машина, содержащая рабочую полость с объемно-вытеснительными элементами РПМ - лопастными поршнями, плунжерами, манжетами, находящимися в одном корпусе (секции);
термином «РПДВС - роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания» - такой двигатель, который имеет по меньшей мере две пары лопастных поршней, установленных на соосных валах по крайней мере в одном круговом корпусе (секции).
Причем таких корпусов (секций) может быть несколько, и они могут быть выполнены смежными;
термином «лопастные поршни» - такие подвижные объемно-вытеснительные конструктивные элементы, между которыми и внутренними стенками одной секции циклически происходит изменение объемов рабочего тела;
термином «торец» - периферийная поверхность каждого лопастного поршня, сопрягаемая с внутренними стенками рабочей полости корпуса;
термином «грань» - боковая поверхность каждого лопастного поршня с одной стороны, сопрягаемая по ее периметру с внутренними стенками рабочей полости корпуса;
термином «смыкание граней» - такое положение граней смежных лопастных поршней, которое характеризуется минимальным объемом/расстоянием между этими гранями;
термином «рабочая полость корпуса (секции)» - полость, которая заключена между внутренней стенкой рабочей полости корпуса и гранями лопастных поршней. Она состоит не менее чем из четырех одновременно существующих и изменяющихся по величине текущих объемов. При работе РПМ рабочая полость корпуса (секции) имеет постоянный объем независимо от углового смещения лопастных поршней;
термином «текущий объем» - каждая переменная по величине часть объема рабочей полости корпуса (секции), которая заключена между гранями смежных лопастных поршней и внутренними стенками одной секции и в которой последовательно протекают такты рабочего процесса;
термином «объем перетока» - суммарный объем выходного и входного (из/в круговую рабочую полость корпуса) каналов, а также всех подключенных к ним полостей, включая соединительные трубопроводы;
термином «камера перетока» - суммарный объем выходного и входного каналов, имеющих единое конструктивное исполнение.
Уровень техники
Известны роторно-поршневые машины с планетарными механизмами подобного назначения, например, автор Е. Кауэртц, патент США: Eugene Kauertz, Rotary Radial-Piston Machine, US patent #3144007, Aug. 11, 1964, publ. 1967; Rotary vane motor, US patent #6886527 ICT.
Они также описаны, например, в патентах Германии N 142119 за 1903 г.; N 271552, кл. 46  аб 5/10 за 1914 г.; Франции N 844351, кл. 46 а5 за 1938 г.; США N 3244156, кл. 12-8.47, 1966 г. и др. Подобного назначения механизмы и машины описаны в патентах России: N 2013597, кл. 5 F02B 53/00; N 2003818, кл. 5 F02B 53/00; N 2141043, кл. 6 F02B 53/00, F04C 15/04, 29/10, 1998 г.; Украины N 18546, кл. F02B 53/00, F02G 1/045, 1997 г.
Также близка к технической сути изобретения конструкция устройства по патенту США: US Patent #6739307, US C1. 123/245, May 25, 2004, Internal Combustion Engine and Method, author Ralph Gordon Morgado.
Планетарные механизмы этих роторных машин обеспечивают взаимно-относительное вращательно-колебательное движение их объемно-вытеснительных элементов - лопастных поршней. Однако в известных роторно-поршневых машинах все рабочие термодинамические процессы осуществляются между их объемно-вытеснительными элементами, включая горение топлива. Это приводит к потерям тепла в стенки с меньшей температурой и к высокой тепловой нагрузке рабочей полости корпуса и объемно-вытеснительных элементов. В результате ухудшается надежность работы и сокращается ресурс таких РПМ. Кроме того, конструктивно сложно обеспечить оптимальную - близкую к шаровидной - компактную форму камеры сгорания в этих РПМ. К тому же практически невозможно оптимально установить электроискровую свечу в середине объема камеры сгорания для минимизации времени распространения фронта пламени. Свечу приходится располагать у края камеры сгорания возле стенки рабочей полости.
Общими конструктивными признаками известных роторно-поршневых машин с объемно-вытеснительными элементами являются:
корпус с круговой рабочей полостью, имеющий впускные и выпускные каналы;
по меньшей мере две пары лопастных поршней, жестко закрепленные на двух рабочих валах, соосных поверхности рабочей полости, причем по крайней мере один из валов имеет кривошип;
соосный рабочим валам выходной вал с водилом;
расположенное на водиле выходного вала по меньшей мере одно планетарное зубчатое колесо, имеющее внешнее зубчатое зацепление с неподвижным центральным зубчатым колесом, соосным поверхности рабочей полости и выходному валу;
кривошипный(е) вал(ы), соосный(е) планетарному зубчатому колесу;
шатун(ы), шарнирно соединяющий(е) рычаги рабочих валов с кривошипными валами планетарных зубчатых колес.
Недостатком таких двигателей является то, что образуемая между лопастными поршнями камера имеет конечный объем и в ней после завершения такта «выпуск отработавших газов» остаются горячие отработавшие газы. Это ухудшает наполняемость рабочей полости свежим воздухом и/или топливо-воздушной смесью и ухудшает мощностные показатели двигателя.
Другим существенным недостатком является необходимость наличия дополнительной аппаратуры для обеспечения инициирования циклического воспламенения топливо-воздушной смеси при каждом рабочем цикле строго синхронизированно с фазами работы кинематического механизма РПМ. Это усложняет двигатель и снижает надежность его работы.
Кроме того, известны конструкции бензиновых двигателей с предкамерами для обеспечения эффекта форкамерно-факельного зажигания очень бедных горючих смесей [1]. Здесь предкамера соединена с цилиндром каналом. Использование предкамер обеспечивает полное сгорание топлива и повышение экономичности двигателей при пониженных пиковых значениях температуры в цилиндре. Основным недостатком таких двигателей является сложная топливная аппаратура.
Также известны конструкции дизельных двигателей с разделенными камерами сгорания - с предкамерами и вихревыми камерами [2]. Эти камеры соединены с цилиндром одним или несколькими каналами для двунаправленного течения рабочего тела. В таких двигателях путем организации высокой турбулентности топливной смеси достигается хорошее смесеобразование и обеспечивается более полное сгорание топлива даже при умеренных давлениях впрыска топлива. Однако из-за увеличения тепловых потерь экономичность дизельных двигателей с разделенными камерами сгорания несколько хуже, чем у дизелей с неразделенными камерами сгорания.
Наиболее близка к технической сути изобретения конструкция устройства (прототип) по публикации NQ WO/2009/072994 от 11.06.2009; (Int.Appl.: Ns.: PCT/UA20071000080; F01C 1/063, F02B 53/00, F04C 2/063; VOLUNE EXPANSION ROTARY PISTON MACHINE, inventor DRACHKO Yevgeniy Fedorovich, UA).
Это устройство представляет собой РПМ с планетарным механизмом с возможностью различных значений передаточного отношения планетарного зубчатого зацепления i=n / (n+1) (где n=1, 2, 3, 4 и т.д.) как основы конструкции РПМ объемного расширения различного назначения (например, двигателей и компрессоров).
В частности, эта РПМ имеет корпус с круговой рабочей полостью и впускными и выпускными каналами, а также:
по меньшей мере два рабочих вала, которые соосны круговой поверхности рабочей полости и оснащены с одной стороны лопастными поршнями и с другой стороны рычагами;
по меньшей мере одно центральное неподвижное зубчатое колесо, которое соосно поверхности рабочей полости и рабочим валам;
соосный рабочим валам выходной вал, имеющий водило;
установленные на плечах водила выходного вала коленчатые валы с закрепленными на них планетарными зубчатыми колесами, которые сцеплены с центральным неподвижным зубчатым колесом;
шатуны, шарнирно соединяющие рычаги рабочих валов и коленчатые валы,
выходной вал с эксцентриком, на котором установлены водило и планетарное зубчатое колесо, при этом
планетарное зубчатое колесо находится в зацеплении с центральным неподвижным зубчатым колесом с внутренним зубчатым зацеплением;
водило шарнирно соединено шатунами с рычагами обоих рабочих валов.
Созданные на основе такой РПМ двигатели имеют ряд недостатков.
Первый - для реализации процесса постоянного циклического воспламенения топлива необходимо дополнительное оборудование, например топливный(е) насос(ы) и форсунки высокого давления в случае реализации дизельного цикла или электроискровая система зажигания с высоковольтными электроискровыми свечами для бензинового двигателя. Особенностью как топливной аппаратуры дизелей, так и систем зажигания бензиновых двигателей является необходимость точной синхронизации во времени работы элементов этих систем с работой кинематики двигателя. Даже небольшие отклонения работы систем синхронизации от оптимального режима (по любым причинам) существенно ухудшают рабочие параметры двигателей. Во многих случаях эксплуатации двигателей именно нарушения в работе систем синхронизации является причиной неисправности.
Второй недостаток - это «растянутость» процесса горения топлива относительно фазы наибольшей степени сжатия в камере сгорания при его циклическом воспламенении. В наибольшей степени это явление проявляется на максимальных оборотах двигателя. Для борьбы с ним используются известные специалистам приемы интенсификации горения топлива в поршневых двигателях (например, турбулизация топливо-воздушной смеси). Суть в том, что на больших оборотах топливо просто не успевает полностью сгореть между лопастными поршнями при наибольшей степени сжатия. Это ухудшает экономичность и экобезопасность эксплуатации двигателя.
Третий недостаток - при воспламенении и горении топлива (температура - 2000 градусов Цельсия) непосредственно в рабочей полости, имеющей «холодные» стенки (-300 градусов Цельсия), стенки рабочей полости и сами лопастные поршни вследствие большой разницы температур получают большую передачу тепла.
По этой причине напрасно теряется много тепловой энергии, а двигатель нуждается в интенсивном теплоотводе (т.е. нужна громоздкая и конструктивно сложная система охлаждения). Это усложняет двигатель и ухудшает его экономичность.
Из изложенного видно, что недостатки описанного выше двигателя определяются его конструктивными особенностями и характером протекания рабочего процесса, а именно:
цикличностью воспламенения от точечного высокотемпературного источника тепла (межэлектродный промежуток 0.6÷0.8 мм электроискровой свечи) для случая бензинового двигателя;
- цикличностью воспламенения от низкотемпературного объемного источника тепла (компрессионное воспламенение дизельного топлива) для случая внутреннего смесеобразования;
- воспламенением и горением топлива непосредственно в рабочей полости двигателя между гранями смежных лопастных поршней.
Краткое изложение сущности изобретения
Целью изобретения является повышение экономичности и надежности работы, а также расширение области целевого применения РПМ.
Возможным путем устранения вышеперечисленных недостатков известных РПМ является вынос за пределы рабочей полости высокотемпературной зоны горения топлива с его надежным воспламенением от высокотемпературного объемного источника тепла.
Поставленная задача изобретения решена тем, что роторно-поршневая машина объемного расширения включает:
- корпус, имеющий круговую рабочую полость и впускные и выпускные каналы;
- по меньшей мере, два рабочих вала, которые соосны круговой поверхности рабочей полости и оснащены с одной стороны лопастными поршнями и с другой стороны рычагами;
- по меньшей мере, одно центральное неподвижное зубчатое колесо, которое соосно поверхности рабочей полости и рабочим валам;
- соосный рабочим валам выходной вал имеет эксцентрик, на котором установлены водило и планетарное зубчатое колесо,
при этом планетарное зубчатое колесо жестко связано с водилом, планетарное зубчатое колесо находится в зацеплении с центральным неподвижным зубчатым колесом с внутренним зубчатым зацеплением с передаточным отношением i=n/(n+1) (где n=1, 2, 3, 4, 5… - ряд целых чисел),
водило шарнирно соединено шатунами с рычагами обоих рабочих валов, а количество лопастных поршней, установленных на каждом рабочем валу, равно n+1.
При этом круговая рабочая полость корпуса (1) имеет впускные (18) и выпускные (19) каналы, а также выходные (27) и входные (28) каналы объема(ов) перетока, вынесенного(ных) за пределы рабочей полости, при этом эти каналы (18 и 19, 27 и 28) имеют последовательно смежно-расположенное подключение к круговой рабочей полости корпуса (1) по ходу движения лопастных поршней (5 и 6), причем как впускные (18) и выпускные (19) каналы, так и выходные (27) и входные (28) каналы расположены по обе стороны относительно мест смыкания граней лопастных поршней (5 и 6), а сами грани лопастных поршней (5 и 6) имеют угловую ширину, достаточную для одновременного перекрытия выходного (27) и входного (28) каналов.
Кроме того, выходные и входные каналы имеют единое конструктивное исполнение в виде камер перетока. Камеры перетока установлены на корпусе на герметичных теплоизолирующих прокладках, при этом стенки камер перетока могут быть покрыты высокопористой газопроницаемой термостойкой керамикой.
Также круговая рабочая полость корпуса имеет торообразную форму.
Корпус имеет по меньшей мере двухсекционную круговую рабочую полость с находящимися в ней рабочими валами и лопастными поршнями, а выходной вал имеет по меньшей мере два эксцентрика, на которых установлены водила вместе с планетарными зубчатыми колесами, при этом планетарные зубчатые колеса находятся в зацеплении с центральными неподвижными зубчатыми колесами, а водила шарнирно соединены шатунами с рычагами рабочих валов, причем как секции рабочей полости корпуса, так и эксцентрики выходного вала могут быть развернуты один относительно другого на угол до 180°.
Также машина имеет соосный выходному валу редукторный вал отбора мощности с зубчатым колесом, находящимся в зацеплении с промежуточным зубчатым колесом, установленным на планетарном зубчатом колесе.
Выходные каналы предлагаемой машины соединены патрубками с входом нагревателя, а входные - с выходом нагревателя, при этом впускные каналы соединены с выходом холодильника, а выпускные каналы соединены с входом холодильника.
Между выходом радиатора и входными каналами роторно-поршневой машины включен терморегулирующий дроссель.
Выходные каналы подключены к входному коллектору, а все входные каналы подключены к выходному коллектору.
Лопастные поршни имеют эластичные газонепроницаемые или гидронепроницаемые вставки и/или герметичные полости с упругой стенкой.
В отличие от прототипа, замысел изобретения заключается в том, чтобы конструктивными средствами обеспечить условия:
а) выноса за пределы рабочей полости некоторых фаз рабочего процесса различных по функциональному назначению РПМ: двигателей внутреннего и внешнего сгорания, холодильных машин, компрессоров и вакуумных машин. Что касается РПДВС, то в этом случае особо важен вынос рабочего тела за пределы рабочей полости при подводе к нему тепловой энергии посредством выходного и входного каналов. Это позволяет иметь пиковые значения температуры и давления вне рабочей полости. В результате снижается термическая нагрузка корпуса и лопастных поршней;
б) уменьшения пиковых значений механической нагрузки (от пиковых значений давления рабочего тела) на звенья кинематического механизма привода лопастных поршней;
в) качественной дисперсии топлива и его быстрого и эффективного смешивания с воздухом при инжекции топливо-воздушной смеси из рабочей полости в камеру перетока/сгорания;
г) надежной синхронизации воспламенения топливо-воздушной смеси с оптимизированными фазами положения объемно-вытеснительных элементов - лопастных поршней без использования каких-либо дополнительных устройств;
д) надежного воспламенения топливо-воздушной смеси от высокотемпературного газа и стенок камеры перетока/сгорания независимо от сорта используемого топлива;
е) высокой скорости и полноты сгорания топлива при избытке воздуха и наибольшей степени сжатия;
ж) реализации замысла изобретения без усложнения конструкции РПМ-двигателя средствами синхронизации зажигания/подачи топлива при одновременном повышении экономичности и надежности его работы.
В общем случае согласно замыслу изобретения конструктивными средствами должны быть достигнуты:
оптимизированные условия для протекания рабочих процессов различных по целевому применению РПМ (в случае для РПДВС это предельно возможное наполнение топливо-воздушной смесью/воздухом рабочего объема, надежное воспламенение и полное сгорание топлива с минимальной теплопередачей в стенки);
минимизация тепловой нагрузки как рабочей полости РПМ, так и лопастных поршней;
минимизация механической нагрузки на звенья кинематического механизма привода лопастных поршней;
в целом как результат - упрощение конструкции и повышение надежности работы РПМ, а также расширение области ее целевого применения.
В частности, в случае РПДВС эти цели достигаются путем: а) наиболее полного удаления отработавших газов за пределы рабочей полости при смыкании лопастей роторов-поршней и последующего вывода рабочего тела в камеры перетока/сгорания для подвода тепла;
б) циклической инжекции порций воздуха и/или топливо-воздушной смеси с высокой турбулентностью через выходные каналы. Это обеспечивает ее однородность для последующего эффективного сгорания топлива;
в) циклического изолирования/закрытия каналов вывода и ввода на время горения топлива торцовыми поверхностями роторов-поршней. Пиковые механические нагрузки от пиковых давлений в каналах вывода и ввода взаимно компенсируются непосредственно на противоположных торцах лопастных поршней, так как эти каналы расположены на противоположных сторонах относительно рабочей полости и рабочих валов. Это обстоятельство существенно снижает механическую нагрузку на кинематический механизм РПДВС и соответственно повышает надежность его работы;
г) постоянно высокой температуры в камерах перетока/сгорания. Это необходимо для быстрого протекания физико-химических реакций испарения, воспламенения и горения очередной порции топлива независимо от его сорта;
д) постоянно избыточного давления в выходных и входных каналах и камерах перетока/сгорания в целом. В результате в них создается повышенная плотность и теплоемкость оставшегося рабочего тела. Это способствует быстрой теплопередаче тепла свежим порциям топлива и ускоряет протекание предпламенных и окислительных реакций горения;
е) возможности сгорания топлива при избытке воздуха. Такая возможность обеспечивается постоянно высокой температурой и избыточным давлением в выходных и входных каналах. Это с одной стороны обеспечивает надежность воспламенения и полноту его сгорания, а с другой - уменьшает пиковые значения температуры и давления в выходных и входных каналах. Это важно для надежной работы РПДВС, его эффективной и экобезопасной эксплуатации.
Все это вместе взятое в случае РПДВС обеспечивает:
а) расширение области применения двигателя путем уменьшения ограничений по виду применяемого топлива - различные сорта бензина, дизельного топлива, биотопливо, авиационного керосина, природного газа и др.;
б) надежную работу и хорошую экономичность благодаря хорошей наполняемости рабочего объема, высокой скорости и полноте сгорания топлива при высоком давлении и избытке воздуха в высокотемпературных камерах перетока/сгорания;
в) уменьшение механической, а также термической нагрузки на кинематические элементы и системы двигателя, например охлаждения и смазки;
г) упрощение конструкции двигателя и повышение надежности его работы - что в целом является решением задачи изобретения.
Первое дополнительное отличие от предыдущего варианта состоит в том, что выходные и входные каналы имеют единое конструктивное исполнение в виде камер перетока. Это практически снимает ограничения по конструктивной оптимизации формы камеры перетока и обеспечивает возможность оптимального расположения запальной свечи/форсунки в ней.
Дополнительное отличие от предыдущего варианта состоит в том, что камеры перетока установлены на корпусе на герметичных теплоизолирующих прокладках, при этом как стенки камер перетока, так и стенки выходных и входных каналов могут быть футерованы/покрыты высокопористой газопроницаемой термостойкой керамикой. Это позволяет существенно уменьшить теплопередачу от нагретых стенок камер перетока в корпус и уменьшить его теплонапряженность.
При этом термостойкая высокопористая керамика, например из карбида кремния, при достаточно большой поверхности и хорошей газопроницаемости имеет значительно большую массу и, соответственно, большую теплоемкость по сравнению с газообразной средой. Это обеспечивает быструю и эффективную теплопередачу топливу от нагретой в предыдущих рабочих циклах керамики. В результате обеспечивается надежное воспламенение и быстрое сгорание топлив различного сорта и вида.
На номинальных оборотах РПДВС время протекания фазы инжекции топливо-воздушной смеси (для случая внешнего смесеобразования) в камеру перетока конструктивными мерами (например, смещение камер перетока относительно оси) делается меньше времени задержки воспламенения топлива. По этой причине обратного перетока рабочего тела не будет. Топливо уже в закрытой высокотемпературной камере перетока испаряется, надежно воспламеняется, быстро и полно сгорает при избытке воздуха и максимально возможном давлении.
Кроме того, наибольшее давление и температура в камерах перетока достигаются, когда они закрыты торцами лопастных поршней при их сомкнутых гранях. При этом не нужны какие-либо специальные устройства для синхронизации воспламенения топливо-воздушной смеси и наибольшей степени сжатия в двигателе, что упрощает его конструкцию и повышает надежность работы.
Камеры перетока могут снабжаться газонепроницаемыми разделителями, чтобы исключить переток газа в месте углового стыка граней и торцов сомкнутых лопастных поршней. Этим обеспечивается наибольший контакт топливо-воздушной смеси с пористой керамикой. Одновременно разделители выполняют роль кратковременной изоляции сомкнутых граней лопастных поршней от пиковых величин давления и температуры в камерах перетока. Это снижает механические и тепловые нагрузки на кинематический механизм РПДВС. В результате повышается надежность его работы.
Дополнительное отличие от первого варианта состоит в том, что круговая рабочая полость корпуса секции имеет торообразную форму.
Это уменьшает количество угловых стыков между элементами уплотнения лопастных поршней при использовании компрессионных колец. Следовательно, уменьшаются утечки рабочего тела в уплотнениях и упрощается система уплотнений в целом.
Дополнительное отличие от первого варианта состоит в том, что роторно-поршневая машина имеет общий выходной вал, по крайней мере, с двумя эксцентриками, а также состоящий как минимум из двух соосных круговых рабочих секций корпус. При этом угол разворота как рабочих секций одна относительно другой, так и эксцентриситетов эксцентриков выходного вала может быть до 180°. Этот угол разворота определяется специалистами в соответствии с условиями и требуемыми особенностями работы РПМ.
Такая роторно-поршневая машина, как правило, используемая в качестве РПДВС, уже может иметь крутящий момент без отрицательной составляющей и без больших изменений его величины. Ее работа характеризуется уменьшенным уровнем вибраций при сопряжении с нагрузкой. Это благоприятно сказывается на надежности работы двигателя и длительности его ресурса.
Другое дополнительное отличие от первого варианта состоит в том, что роторно-поршневая машина имеет соосный с выходным валом редукторный вал отбора мощности с зубчатым колесом, находящимся в зацеплении с промежуточным зубчатым колесом, установленным на планетарном зубчатом колесе.
При таком конструктивном исполнении РПМ имеется возможность изменять не только величину крутящего момента и обороты вала отбора мощности, но и осуществлять реверс направления его вращения. Это расширяет область применения РПМ.
Еще одно дополнительное отличие от первого варианта состоит в том, что выходные каналы соединены патрубками с входом нагревателя, а входные - с выходом нагревателя, при этом впускные каналы соединены с выходом холодильника, а выпускные каналы соединены с входом холодильника.
Раздельное исполнение выходных и входных каналов позволяет осуществить подвод тепла вне рабочей полости и обеспечить работу двигателя с внешним сгоранием топлива, независимо от его сорта, вида и агрегатного состояния. В этом случае сгорание топлива может быть постоянным без каких-либо ограничений по цикличности его горения. При этом как разделители, так и впускные и выпускные каналы конструктивно могут быть выполнены непосредственно в корпусе двигателя, что существенно упрощает его конструкцию и обеспечивает надежность работы.
Это позволяет реализовать работу РПМ с замкнутым циклом рабочего тела, например, по циклу Стерлинга с внешним подводом тепла. В результате появляется возможность использования практически любого источника тепла (топлива) для получения механической энергии. Это обстоятельство существенно расширяет область целевого применения РПМ.
Дополнительное отличие от предыдущего варианта состоит в том, что между выходом радиатора и выходными каналами РПМ включен терморегулирующий дроссель.
Это позволяет реализовать работу РПМ с замкнутым циклом рабочего тела в режиме холодильной машины с преобразованием механической работы вращения вала в разницу температур и соответственно подвода/отвода тепла к/от испарителя и радиатора, что является расширением области применения РПМ.
Дополнительное отличие от предыдущего варианта состоит в том, что все входные каналы РПМ подключены к входному коллектору, а все выходные каналы РПМ подключены к выходному коллектору.
В зависимости от функционального назначения такая РПМ может использоваться как в качестве компрессорной машины для сжатия различного рода газов, так и в качестве вакуумной машины для откачки различного рода газов из закрытых объемов. Это является расширением области ее применения и решением задачи изобретения.
Дополнительное отличие от предыдущего варианта состоит в том, что лопастные поршни имеют эластичные газо/гидронепроницаемые вставки и/или герметичные полости с упругой стенкой.
Такая машина объемного расширения, как правило, используется в качестве объемного нагнетателя жидкости или газа. Это является расширением области применения РПМ.
Упрощение конструкции и повышение надежности работы РПМ в качестве двигателей достигается подводом тепловой энергии к рабочему телу вне рабочей полости посредством использования интегрированных выходного и входного каналов в виде камер перетока. При этом реализуются условия надежного воспламенения и эффективного сгорания топлива при наибольшей степени сжатия без специальных устройств синхронизации момента воспламенения топлива относительно фаз работы кинематического механизма РПМ.
Решение задачи расширения области применения РПМ также достигается посредством выходного и входного каналов осуществлением вне рабочей полости отдельных фаз рабочих процессов различных по функциональному назначению РПМ, таких как двигатели, холодильная машина, нагнетатель (компрессор), вакуумная машина.
Следовательно, решение задач изобретения посредством использования выходных и входных каналов для целенаправленного протекания вне рабочей полости различных рабочих процессов в РПМ различного применения неочевидно для специалиста и представляет единство предмета изобретения.
Краткое описание чертежей
Далее сущность изобретения - в основном на минимальных примерах - поясняется подробным описанием различных вариантов конструкции роторно-поршневой машины объемного расширения со ссылками на прилагаемые чертежи, где изображены на:
фигурах 1-10, 24-28, 31-36, 41-45 - РПМ с планетарным механизмом со значениями передаточного отношения планетарного зубчатого зацепления i=3/4 (в общем случае i=n / (n+1), где n=1, 2, 3, 4 и т.д.) как основы конструкции РПМ объемного расширения различного назначения (например, двигателей, холодильных машин, компрессоров, вакуумных машин);
фигурах 11-23, 29-30, 37-40 - варианты роторно-поршневых машин в виде иллюстраций их работы и характеристик.
На чертежах схематически изображены:
на фиг.1 показан продольный разрез РПМ с ее планетарным механизмом на примере РПДВС в качестве машины объемного расширения;
на фигурах 2-10 показана работа планетарного механизма при передаточном отношении планетарного зубчатого зацепления i=3/4 для различного углового положения лопастных поршней и звеньев кинематической цепи их привода в зависимости от текущего положения эксцентриситета эксцентрика выходного вала, а именно:
установленного на эксцентрике (эксцентриситет которого условно обозначен отрезком OQ) выходного вала водила с планетарным зубчатым колесом, центр которого обозначен литерой Q, а плечи водила обозначены литерами A и B;
пары рычагов соосных рабочих валов, обозначенных литерами CO и DO;
пары шатунов, обозначенных литерами AC и BD, соединяющих упомянутое водило AB с рычагами CO и DO соосных рабочих валов - и соответствующие им положения:
фиг.2 - исходное угловое положение лопастных поршней и звеньев их кинематического привода при условно исходном «нулевом» (верхнем) угловом положении эксцентрика выходного вала 0° (1080° и т.д.);
фиг.3 - то же, что и на фиг.2, но при повороте выходного вала на 45° против часовой стрелки;
фиг.4 - то же, что и на фиг.2, но при повороте выходного вала на 90°;
фиг.5 - то же, что и на фиг.2, но при повороте выходного вала на 135°;
фиг.6 - то же, что и на фиг.2, но при повороте выходного вала на 180°;
фиг.7 - то же, что и на фиг.2, но при повороте выходного вала на 225°;
фиг.8 - то же, что и на фиг.2, но при повороте выходного вала на 270°;
фиг.9 - то же, что и на фиг.2, но при повороте выходного вала на 405°;
фиг.10 - то же, что и на фиг.2, но при повороте выходного вала на 540°;
на фигурах 11-23 показано сечение корпуса РПДВС по круговой рабочей полости для различных текущих положений лопастных поршней за 540° оборота выходного вала от условного «нулевого» 0° (верхнего) положения эксцентрика OQ выходного вала с отсчетом углов его поворота против часовой стрелки, в том числе:
фиг.11 - исходное угловое положение лопастных поршней в кольцевой рабочей полости корпуса при условно исходном угловом «нулевом» 0° (верхнем) положении эксцентрика OQ рабочего вала (0°, 1080° и т.д.);
фиг.12 - то же, что и на фиг.11, но при повороте эксцентрика OQ выходного вала на 45° против часовой стрелки;
фиг.13 - то же, что и на фиг.11, но при повороте эксцентрика OQ выходного вала на 90°;
фиг.14 - то же, что и на фиг.11, но при повороте эксцентрика OQ выходного вала на 135°;
фиг.15 - то же, что и на фиг.11, но при повороте эксцентрика OQ выходного вала на 180°;
фиг.16 - то же, что и на фиг.11, но при повороте эксцентрика OQ выходного вала на 225°;
фиг.17 - то же, что и на фиг.11, но при повороте эксцентрика OQ выходного вала на 270°;
фиг.18 - то же, что и на фиг.11, но при повороте эксцентрика OQ выходного вала на 315°;
фиг.19 - то же, что и на фиг.11, но при повороте эксцентрика OQ выходного вала на 360°;
фиг.20 - то же, что и на фиг.11, но при повороте эксцентрика OQ выходного вала на 405°;
фиг.21 - то же, что и на фиг.11, но при повороте эксцентрика OQ выходного вала на 450°;
фиг.22 - то же, что и на фиг.11, но при повороте эксцентрика OQ выходного вала на 495°;
фиг.23 - то же, что и на фиг.11, но при повороте эксцентрика OQ выходного вала на 540°;
фиг.24 - показано сечение камеры перетока двигателя внутреннего сгорания, установленной на корпусе двигателя на теплоизолирующих газонепроницаемых прокладках;
фиг.25 - показано сечение камеры перетока двигателя внутреннего сгорания, имеющей газонепроницаемый разделитель ее входного и выходного каналов;
фиг.26 - показано сечение камеры перетока двигателя внутреннего сгорания, имеющей стенки из высокопористой газопроницаемой керамики;
фиг.27 показан продольный разрез планетарного механизма на примере РПДВС в качестве машины объемного расширения с тороидальной рабочей полостью;
фиг.28 - показана кинематическая схема (второй вариант конструкции) РПДВС с общим выходным валом, имеющим два эксцентрика, для двух планетарных механизмов, между которыми расположен корпус, состоящий из двух аналогичных соосных рабочих секций. Угол осевого разворота между секциями и эксцентриситетами эксцентриков выходного вала выбирается в каждом отдельном случае специалистами исходя из конструктивно-эксплуатационных требований в диапазоне от 0° до 180°;
фиг.29 - аппроксимированный синусоидой график изменения величины крутящего момента М односекционного РПДВС в зависимости от текущего угла поворота выходного вала <p;
фиг.30 - аппроксимированные синусоидами графики изменения величины крутящего момента М (в зависимости от текущего угла поворота выходного вала q>) от каждой из двух секций двигателя (линии «A» и «B»), а также их результирующий суммарный график (линия «C») при двухсекционном конструктивном исполнении РПДВС;
фиг.31 - показана кинематическая схема имеющего редуктор РПДВС с планом скоростей звеньев этого редуктора;
фиг.32 - показана кинематическая схема имеющего редуктор РПДВС с реверсивным направлением оборотов и крутящего момента вала отбора мощности (второй вариант конструкции редуктора);
фиг.33 - показано сечение камеры перетока двигателя внешнего сгорания (например, по циклу Стерлинга), конструктивно выполненной непосредственно в теле корпуса двигателя в виде ее выходного и входного каналов и разделителя между ними при перекрытии торцом лопастного поршня обоих выходного и входного каналов;
фиг.34 - показано положение, когда оба, выходной и входной, канала перекрываются торцами обоих сомкнутых лопастных поршней 5 и 6, разделяя увеличивающийся и уменьшающийся текущие объемы;
фиг.35 - показано сечение впускного и выпускного каналов двигателя внешнего сгорания при сомкнутом положении граней смежных роторов-поршней;
фиг.36 - показана работающая по циклу Стерлинга РПМ и сечение ее корпуса;
на фигурах 37-40 - показано сечение корпуса по круговой рабочей полости работающей по циклу Стерлинга РПМ для различных текущих положений лопастных поршней за 135° оборота выходного вала от условного 0° (верхнего) положения эксцентрика OQ выходного вала с отсчетом углов его поворота против часовой стрелки, в том числе:
фиг.37 - исходное угловое положение лопастных поршней в кольцевой рабочей полости корпуса при условно исходном угловом (верхнем) положении эксцентрика OQ рабочего вала (0°, 1080° и т.д.);
фиг.38 - то же, что и на фиг.37, но при повороте эксцентрика OQ выходного вала на 45° против часовой стрелки;
фиг.39 - то же, что и на фиг.37, но при повороте эксцентрика OQ выходного вала на 90° против часовой стрелки;
фиг.40 - то же, что и на фиг.37, но при повороте эксцентрика OQ выходного вала на 135° против часовой стрелки;
фиг.41 - показано подключение выпускных и впускных каналов и круговой рабочей полости РПМ при ее использовании в качестве холодильной машины;
фиг.42 - показаны входной и выходной каналы РПМ для сжатия (компрессор) или перекачки различных газов;
фиг.43 - показано подключение впускных и выпускных каналов к круговой рабочей полости РПМ при ее использовании в качестве нагнетателя (компрессора), например, воздуха.
фиг.44 - показаны входной и выходной каналы гидроперекачивающей РПМ;
фиг.45 - показано подключение впускных и выпускных каналов к круговой рабочей полости РПМ при ее использовании в качестве гидроперекачивающей РПМ.
На фиг.1, 12 и 13, 15 и 16, 18 и 19, 21 и 22, 26-28 стрелками показаны направления материальных потоков, например газа.
Наилучшие варианты осуществления изобретения
Здесь и далее для нужд описания роторно-поршневых машин объемного расширения и их кинематических механизмов, начиная с простейшего РПДВС, схематически показаны такие их части, как:
корпус 1, имеющий круговую рабочую полость;
внешний рабочий вал 2;
внутренний рабочий вал 3;
рычаги 4 внешнего и внутреннего рабочих валов 2 и 3;
осесимметричные лопастные поршни 5 и 6, соответственно жестко установленные на соосных рабочих валах 2 и 3. Лопастные поршни 5 и 6 имеют радиальные и торцовые уплотнительные элементы (особо не обозначенные и не выделенные). Кроме того, в особых отдельных случаях они могут иметь осесимметричные полости на боковых гранях, например, выполняющих функцию камер сгорания в случае РПДВС при необходимости;
выходной вал 7, графически выделенный на фиг.1 толстой линией;
эксцентрик 8 выходного вала 7, графически обозначенный на фиг.1 в виде колена;
водило 9, установленное на эксцентрике 8 выходного вала 7;
шатуны 10, соединяющие водило 9 с рычагами 4;
планетарное зубчатое колесо 11, жестко связанное с водилом 9;
неподвижное центральное зубчатое колесо 12, находящееся в зацеплении с планетарным зубчатым колесом 11 и соосное рабочим валам 2 и 3, выходному валу 7 и круговой рабочей полости корпуса (секции) 1;
зубчатый венец 13, жестко закрепленный на эксцентрике 8 выходного вала 7;
противовес 14, служащий для балансировки масс эксцентрика 8, водила 9 и планетарного колеса 11, шатунов 10;
стартер 15, закрепленный на корпусе 1;
обгонная муфта 16;
зубчатое колесо 17, находящееся в зацеплении с зубчатым венцом 13;
впускной канал 18, соединенный с рабочей полостью корпуса (секции) 1;
выпускной канал 19, также соединенный с рабочей полостью корпуса (секции) 1;
топливная аппаратура 20 (используемая только для случая внешнего смесеобразования);
электроискровая свеча/топливная форсунка 21 (свеча - для случая внешнего смесеобразования и/или форсунка - для случая внутреннего смесеобразования);
стенки 22 каналов полости охлаждения корпуса (секции) 1 камеры перетока 23, которые в простейшем случае могут быть выполнены непосредственно в корпусе 1 (см. фиг.11-23), а также могут быть выполнены в виде отдельных конструктивных элементов и установлены на корпусе (секции) 1 (см. фиг.24, 25 и 26);
теплоизолирующие газонепроницаемые прокладки 24 (фиг.24, 25);
высокопористые термостойкие газопроницаемые керамические стенки 25 (см. фиг.26) камеры перетока 23;
газонепроницаемые разделители 26 (см. фиг.25);
выходные 27 и входные 28 каналы камер перетока 23 (см. фиг.33), между которыми расположены разделители 26 («выходные» и «входные» каналы названы в соответствии с «выходом» и «входом» рабочего тела из/в рабочую полость);
редукторный вал 29 отбора мощности, используемый в случае необходимости редуцирования (фиг.31) и реверса (фиг.32) оборотов РПДВС;
редукторное зубчатое колесо 30, закрепленное на редукторном валу 29;
промежуточное зубчатое колесо 31, закрепленное на планетарном зубчатом колесе 10;
соединительные патрубки 32 (фиг.36) для передачи рабочего тела конструктивным элементам РПМ, например, работающей по циклу Стерлинга;
нагреватель 33 рабочего тела;
холодильник 34 рабочего тела;
терморегулирующий дроссель 35;
испаритель 36;
радиатор 37;
входной коллектор 38;
выходной коллектор 39;
упругий компенсатор 40;
упругие стенки 41 герметичного объема.
Работа планетарного механизма роторно-поршневой машины объемного расширения далее рассматривается на примере работы РПДВС. По формуле прототипа передаточное отношение планетарной передачи равно: i=n / (n+1) (где n=1, 2, 3, 4, 5… - ряд целых чисел), а количество поршней, установленных на каждом рабочем валу, равно n+1. В данном случае n=3. Соответственно количество поршней равно m=3+1=4. Этот двигатель имеет передаточное отношение планетарной зубчатой пары i=3/4 (см. фиг.1), а также неподвижное центральное зубчатое колесо 12 и планетарное зубчатое колесо 11, 4-лопастные поршни 5 и 6, которые закреплены на рабочих валах 3 и 2. При пуске РПДВС стартер 15 получает электропитание. Поэтому он через обгонную муфту 16 и зубчатое колесо 17 приводит во вращение массивный зубчатый венец 13 и жестко соединенный с ним выходной вал 7. Выходной вал 7 конструктивно выполнен заодно с эксцентриком 8. Установленные на эксцентрике 8 выходного вала 7 планетарное зубчатое колесо 11 и жестко соединенное с ним водило 9 получают движение в результате движения их оси и зацепления планетарного колеса 11 с неподвижным центральным зубчатым колесом 12. Далее движение от водила 9 посредством шатунов 10 передается рычагам 4 рабочих валов 2 и 3, на которых закреплены лопастные поршни 5 и 6. По этой причине они начинают совершать вращательно-колебательное движение в рабочей полости РПМ.
Такое движение является результатом того, что относительно «нулевой» точки мгновенных скоростей, которой является точка сопряжения делительных окружностей планетарной зубчатой передачи (неподвижное центральное зубчатое колесо 12 и планетарное зубчатое колесо 11), постоянно изменяется мгновенное расстояние и угол положения до плеч водила 9. Плечи водила 9 через шатуны 10 передают движение рычагам 4 соосных рабочих валов 2 и 3. Поэтому закрепленные на них лопастные поршни 5 и 6 получают вращательно-колебательное движение в рабочей полости корпуса (секции) 1. При этом выходной вал 7 с эксцентриком 8 и рабочие валы 2 и 3 с лопастными поршнями 5 и 6 вращаются в противоположные стороны. Противовес 14 выполняет функцию балансировки масс эксцентрика 8, планетарного колеса 11, водила 9 и массивного зубчатого венца 13. Возможно совместное конструктивное исполнение зубчатого венца 13 и противовеса 14.
При работе РПДВС зубчатый венец 13 (см. фиг.1) выполняет роль маховика двигателя. Поэтому он должен быть массивным для преодоления отрицательной составляющей крутящего момента, а также для «сглаживания» текущей величины крутящего момента на выходном валу 7.
Внутренние полости корпуса 1 имеют каналы охлаждения со стенками 22, через которые прокачивается охлаждающая жидкость. Это предотвращает перегрев РПДВС. Система охлаждения маслом лопастных поршней 5 и 6 особо не показана и не обозначена.
На фигурах 2-10 показана работа планетарного механизма при передаточном отношении планетарного зубчатого зацепления i=3/4 для различного углового положения выходного вала 7. Соответственно этому звенья кинематической цепи и лопастные поршни 5 и 6 занимают строго детерминированное положение. При этом в качестве координатной системы кинематического механизма РПДВС приняты обозначенные на фиг.2-10 тонкой штрихпунктирной линией вертикальная и горизонтальная оси, которые проходят через оси рабочей полости корпуса 1, валов 2, 3, 7.
На фиг.2 показано условно исходное положение 0° выходного вала 7 с эксцентриком 8. Этому положению детерминированно соответствуют положения планетарного зубчатого колеса 11 с водилом 9, шатунов 10 и рычагов 4 роторов-поршней 5 и 6 относительно неподвижного центрального зубчатого колеса 12 и корпуса (секции) 1. Эксцентриситет эксцентрика 8 выходного вала 7 обозначен отрезком OQ и занимает исходное вертикальное положение. Водило 9 занимает горизонтальное положение над выходным валом 7 и обозначено литерами AB. Кинематическая связь между водилом 9 и рычагами 4 рабочих валов 2 и 3 осуществляется шатунами 10, обозначенными на фиг.2 литерами AC и BD. В этом исходном положении показанные штрихпунктирной линией оси лопастных поршней 5 и 6 располагаются симметрично относительно горизонтальной оси под острым углом к ней. Угол между осью OC рычага 4 внешнего рабочего вала 2 и осью лопастного поршня 6 обозначен углом q>1=const (т.к. они закреплены на одном валу 2). Угол между осью OD рычага 4 внутреннего рабочего вала 3 и осью лопастного поршня 5 обозначен углом <p2=const (т.к. они закреплены на одном валу 3). На фиг.2 угол между осями рычагов 4 обоих рабочих валов 2 и 3 минимален и обозначен как угол Δ1.
Далее выходной вал 7 с эксцентриком 8 осуществляет вращательное движение против часовой стрелки. Тогда, в силу кинематических связей, по неподвижному центральному зубчатому колесу 12 перекатывается планетарное зубчатое колесо 11, которое установлено на эксцентрике 8. Оно сообщает движение жестко соединенному с ним водилу 9. Этим обеспечивается постоянное изменение движения плеч QA и QB водила 9 (как по направлению, так и по величине скорости) относительно «нулевой» точки мгновенных скоростей, которой является точка сопряжения делительных окружностей зубчатых колес 11 и 12. Посредством шатунов 10 такая вариация скоростей передается от осей плеч A и B водила 9 на оси C и D рычагов 4 соосных рабочих валов 2 и 3 и далее на лопастные поршни 5 и 6 роторно-поршневой машины.
Таким образом последние получают вращательно-колебательное движение в круговой рабочей полости РПМ.
На фиг.3 выходной вал 7 и его эксцентрик 8 (с эксцентриситетом OQ) показаны уже повернутыми на 45° против часовой стрелки. Соответственно поворачиваются по часовой стрелке планетарное зубчатое колесо 11 с водилом 9. Так как углы φ1 и φ2 постоянны, то обозначенные литерами AC и BD шатуны 10 разводят обозначенные отрезками OC и OD рычаги 4 рабочих валов 2 и 3 на угол Δ2>Δ1. Соответственно разводятся и лопастные поршни 5 и 6.
На фиг.4 показан поворот выходного вала 7 на угол 90°. В этом случае водило 9 занимает еще большее угловое положение. Обозначенные литерами AC и BD шатуны 10 продолжают разводить обозначенные отрезками OC и OD рычаги 4 на угол Δ3>Δ2>Δ1. При этом лопастные поршни 5 и 6 оказываются разведенными на еще больший угол.
На фиг.5 показан поворот выходного вала 7 на угол 135°. В этом случае обозначенное литерами A и B водило 9 вращается по часовой стрелке и занимает положение 45° к вертикали.
Обозначенные литерами AC и BD шатуны 10 продолжают разводить обозначенные линиями OC и OD рычаги 4, т.е. Δ4<Δ3.
Однако в силу постоянства углов φ1 и q>2 лопастные поршни 5 и 6 расходятся на максимальное расстояние, т.е. угол Δ4>Δ3>Δ2>Δ1.
Далее выходной вал 7 поворачивается на угол 180°. На фиг.6 показано, что обозначенные литерами AC и BD шатуны 10 начинают сводить обозначенные отрезками OC и OD рычаги 4 на угол Δ5<Δ4. При этом лопастные поршни 5 и 6 начинают сближаться. Обозначенное литерами AB водило 9 поворачивается по часовой стрелке на еще больший угол.
Далее выходной вал 7 поворачивается на угол 225°. На фиг.7 показано, что обозначенные литерами AC и BD шатуны 10 продолжают сводить обозначенные отрезками OC и OD рычаги 4 на угол Δ6<Δ5. При этом лопастные поршни 5 и 6 продолжают сближаться, а обозначенное литерами AB водило 9 поворачивается по часовой стрелке на еще больший угол.
При дальнейшем движении выходного вала 7 на угол 270°, на фиг.8 показано, что шатуны 10, обозначенные литерами AC и BD, продолжают сводить рычаги 4, обозначенные линиями ОС и OD, на угол Δ7<Δ6. При этом грани лопастных поршней 5 и 6 смыкаются по вертикали, а водило 9, обозначенное литерами АВ, занимает вертикальное положение.
При дальнейшем движении выходного вала 7 и его эксцентрика 8 (с эксцентриситетом OQ) на угол 405° звенья кинематического механизма (водило 9, шатуны 10, рычаги 4) последовательно проходят промежуточные положения и снова разводят лопастные поршни 5 и 6 на максимальное угловое расстояние, как это показано на фиг.9. При этом водило 9 занимает положение под углом 45° к вертикали.
При продолжении вращения выходного вала 7 и его эксцентрика 8 (с эксцентриситетом OQ) на угол 540° звенья кинематического механизма (водило 9, шатуны 10, рычаги 4) продолжают последовательно проходить промежуточные положения и снова сводят лопастные поршни 5 и 6 на минимальное угловое расстояние, как это показано на фиг.10. В этом случае лопастные поршни 5 и 6, рычаги 4 и водило 9 оказываются в положении, которое осесимметрично исходному начальному угловому положению выходного вала 7 при 0° (см. фиг.2). Соответственно через 1080° поворота выходного вала 7 и его эксцентрика 8 (с эксцентриситетом OQ) кинематические звенья РПМ и лопастные поршни 5 и 6 займут начальное исходное положение, как это показано на фиг.2.
Начиная с условно исходного положения 0°, через каждые 135° поворота выходного вала 7 с эксцентриком 8 лопастные поршни 5 и 6 разводятся и сводятся планетарным механизмом относительно горизонтальной и вертикальной осевых линий (см. фиг.2 - 0°; фиг.5 - 135°; фиг.8 - 270°; фиг.9 - 405° и фиг.10 - 540°). Следовательно, такой планетарный механизм роторно-поршневой машины объемного расширения в ходе ее работы обеспечивает вращательно-колебательное движение лопастных поршней 5 и 6. При этом обеспечивается их постоянное фазовое положение относительно корпуса 1 и неподвижно расположенных на нем: центрального зубчатого колеса 12; впускных 18 и выпускных 19 каналов; выходных 27 и входных 28 каналов; камеры перетока 23.
На фигурах 11-23 показано сечение корпуса 1 простейшего РПДВС по круговой рабочей полости для различных положений лопастных поршней 5 и 6 за 540° оборота рабочего вала 7. Такой РПДВС имеет впускные 18 и выпускные 19 каналы, разделенные отдельно не обозначенной перемычкой корпуса 1, а также планетарный механизм, работа которого детально рассмотрена выше (см. фигуры 2-10). При этом положение лопастных поршней 5 и 6 на фигурах 2-10 и на фигурах 11-17, 20 и 23 аналогичны. В круговой рабочей полости РПДВС между гранями лопастных поршней 5 и 6 и внутренней рабочей полостью корпуса 1 имеют место восемь переменных по величине («текущих») объемов. Эти 8 текущих рабочих объемов обозначены на фигурах 11-23 цифрами в окружностях от «1 » до «8».
На фиг.11 (исходное положение, 0° угла поворота выходного вала 7) показаны текущие рабочие объемы:
«1» - минимальный по величине объем, который расположен между впускным 18 и выпускным 19 каналами;
«2» - имеет наибольший объем, что в случае для РПДВС соответствует завершению такта «Впуск» и началу такта «Сжатие»;
«3» - минимальный по величине объем, который расположен напротив «верхней» камеры перетока 23;
«4» - имеет максимальный объем, что в случае для РПДВС соответствует завершению такта «Рабочий ход» и началу такта «Выпуск отработавших газов»;
«5» - минимальный по величине объем, который расположен между впускным 18 и выпускным 19 каналами;
«6» - имеет наибольший объем, что в случае для РПДВС соответствует завершению такта «Впуск» и началу такта «Сжатие»;
«7» - минимальный по величине объем, который расположен напротив «нижней» камеры перетока 23;
«8» - имеет максимальный объем, что в случае для РПДВС соответствует завершению такта «Рабочий ход» и началу такта «Выпуск отработавших газов»;
На фиг.12 (45° угла поворота выходного вала 7) текущие рабочие объемы: «1» - соединен впускным каналом 18 с топливной аппаратурой 20 (используемой только для случая внешнего смесеобразования) и имеет увеличивающийся объем, что в случае для РПДВС соответствует началу такта «Впуск»;
«2» - имеет закрытый уменьшающийся объем, что в случае для РПДВС соответствует такту «Сжатие»;
«3» - соединен с «верхней» камерой перетока 23 и имеет увеличивающийся объем, что в случае для РПДВС соответствует началу такта «Рабочий ход»;
«4» - соединен с выпускным каналом 19 и имеет уменьшающийся объем, что в случае для РПДВС соответствует началу протекания такта «Выпуск отработавших газов»;
«5» - соединен впускным каналом 18 с топливной аппаратурой 20 (используемой только для случая внешнего смесеобразования) и имеет увеличивающийся объем, что в случае для РПДВС соответствует началу такта «Впуск»;
«6» - имеет закрытый уменьшающийся объем, что в случае для РПДВС соответствует такту «Сжатие»;
«7» - соединен с «нижней» камерой перетока 23 и имеет увеличивающийся объем, что в случае для РПДВС соответствует началу такта «Рабочий ход»;
«8» - соединен с выпускным каналом 19 и имеет уменьшающийся объем, что в случае для РПДВС соответствует началу протекания такта «Выпуск отработавших газов»;
На фиг.13 (90° угла поворота выходного вала 7) текущие рабочие объемы:
«1» - соединен с впускным каналом 18 с топливной аппаратурой 20 и имеет увеличивающийся объем, что в случае для РПДВС соответствует продолжению такта «Впуск»;
«2» - имеет закрытый уменьшающийся объем, что в случае для РПДВС соответствует продолжению такта «Сжатие»;
«3» - имеет увеличивающийся закрытый объем, что в случае для РПДВС соответствует продолжению такта «Рабочий ход»;
«4» - соединен с выпускным каналом 19 и имеет уменьшающийся объем, что в случае для РПДВС соответствует продолжению протекания такта «Выпуск отработавших газов»;
«5» - соединен с впускным каналом 18 с топливной аппаратурой 20 и имеет увеличивающийся объем, что в случае для РПДВС соответствует продолжению такта «Впуск»;
«6» - имеет закрытый уменьшающийся объем, что в случае для РПДВС соответствует продолжению такта «Сжатие»;
«7» - имеет увеличивающийся закрытый объем, что в случае для РПДВС соответствует продолжению такта «Рабочий ход»;
«8» - соединен с выпускным каналом 19 и имеет уменьшающийся объем, что в случае для РПДВС соответствует продолжению протекания такта «Выпуск отработавших газов».
На фиг.14 (135° угла поворота выходного вала 7) показано очередное положение текущих рабочих объемов. Нетрудно заметить, что показанное на фиг.11 и 14 положение текущих объемов: 2 и 1, 3 и 2, 4 и 3, 5 и 4, 6 и 5, 7 и 6, 8 и 7 подобно, соответственно подобно и протекание в них тактов рабочего цикла РПДВС. Т.е. в текущих рабочих объемах РПДВС циклически последовательно повторяется весь рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания. Грани смежных лопастных поршней 5 и 6 циклически проходят промежуточные положения и смыкаются в одних и тех же местах корпуса 1 через каждые 135° угла поворота выходного вала 7 (см. фиг.11, 14, 17, 20, 23) с образованием между ними минимального объема. Фазовое положение лопастных поршней 5 и 6 и их граней относительно каналов впуска 18 и выпуска 19, камер перетока 23 и их выходных 27 и входных 28 каналов однозначно детерминировано положением выходного вала 7 и его эксцентрика 8.
Через 540° поворота выходного вала 7 (фиг.23) лопастные поршни 5 и 6 займут осесимметричное положение относительно исходного угла 0° (фиг.11). В результате параллельно в «верхней» и «нижней» части рабочей полости корпуса 1 последовательно пройдут все 4 такта рабочего процесса РПДВС. При дальнейшем повороте выходного вала 7 от угла 540° до угла 1080° снова последовательно пройдут все 4 такта рабочего процесса РПДВС и лопастные поршни 5 и 6 вернутся к своему исходному положению (см. фиг.11). Следовательно, рабочий процесс РПДВС во всех восьми текущих рабочих объемах будет циклически повторяться через каждые 540° угла поворота выходного вала 7.
Непосредственная работа РПДВС осуществляется следующим образом. Топливо подается топливной аппаратурой 20 во впускной канал 18 (для случая внешнего смесеобразования). Далее оно смешивается с воздухом и поступает в расширяющиеся текущие объемы (фиг.12, 13, 15, 16, 18, 19, 21, 22). Так происходит такт «Впуск». Потом топливо-воздушная смесь сжимается в закрытых уменьшающихся по величине текущих объемах (фиг.11-23). Так происходит такт «Сжатие». Далее уменьшающиеся по величине текущие объемы начинают инжекцию топливо-воздушной смеси в камеры перетока 23 (см. фиг.24 и 26) под избыточным давлением. Начинается такая инжекция сначала через расширяющийся выходной канал 27 («выходной», потому что рабочее тело «выходит» из рабочей полости), который образуется между кромкой камеры перетока 23 и кромкой лопастного поршня 5 или 6. Потом сечение выходного канала 27 уменьшается и становится минимальным при сомкнутых гранях лопастных поршней 5 и 6. Фаза начала инжекции топливо-воздушной смеси в камеры перетока 23 конструктивно делается такой, чтобы было обеспечено избыточное давление для однонаправленной подачи топливо-воздушной смеси в камеры перетока 23 на номинальных оборотах РПДВС. При этом интервал времени между началом подачи топливо-воздушной смеси в камеры перетока 23 и моментом смыкания граней лопастных поршней 5 и 6 также конструктивными мерами делается меньше интервала времени задержки воспламенения и тепловыделения от сгорания топлива. Это обеспечивает однонаправленность протекания рабочего тела через камеры перетока 23, так как это необходимо для нормальной работы такого РПДВС. Как показывает практический опыт, задержка воспламенения и тепловыделения топливо-воздушной бензиновой смеси от зажигания электрической искрой составляет от 20° до 30° угла поворота коленчатого вала на номинальных оборотах поршневого двигателя [3].
В таком двигателе (в случае внешнего смесеобразования) происходит достаточно продолжительное и качественное смешивание топлива с воздухом между гранями лопастных поршней во время такта сжатия. Последующая инжекция топливо-воздушной смеси в камеру перетока дополнительно ее турбулизирует. При номинальных оборотах РПДВС время протекания фазы инжекции в камеру перетока сделано меньшим времени задержки воспламенения топлива. Поэтому оно уже в закрытой высокотемпературной камере перетока испаряется, надежно воспламеняется, быстро и полно сгорает при избытке воздуха и максимально возможном давлении. Этим обеспечивается нормальная работа такого РПДВС на обедненных топливо-воздушных смесях как при внешнем, так и при внутреннем смесеобразовании. Следовательно, появляется качественно новая возможность - это при внешнем смесеобразовании (в отличие от внутреннего смесеобразования) регулировать мощность РПДВС изменением качественного состава топливо-воздушной смеси. Кроме того, благодаря постоянно избыточному давлению и высокой температуре рабочего тела в камерах перетока обеспечивается воспламенение топливо-воздушной смеси независимо от сорта используемого топлива как при внешнем, так и при внутреннем смесеобразовании.
Первоначальное воспламенение топливо-воздушной смеси (для случая внешнего смесеобразования) осуществляется электроискровой или калильной свечей 21. Она затем может быть выключена, так как в процессе работы РПДВС дальнейшее воспламенение топлива обеспечивается высокой температурой рабочего тела в камерах перетока 23 и ее стенок. В случае внутреннего смесеобразования топливо в камеры перетока 23 подается через форсунку 21. Наиболее интенсивно тепловыделение от сгорания топлива начинает осуществляться в камерах перетока 23 при сомкнутых гранях лопастных поршней 5 и 6. Именно в это время камеры перетока 23 изолированы, так как закрыты выходные 27 и входные 28 каналы торцовыми гранями лопастных поршней 5 и 6. Здесь необходимо отметить, что во время смыкания граней лопастных поршней 5 и 6 их относительные скорости минимальны. Этим обеспечивается некоторый интервал времени, необходимый для достижения высокой температуры от тепловыделения при сгорании топлива и получения наибольшей степени повышения давления в закрытом объеме камер перетока 23.
Завершение горения топлива может осуществляться в увеличивающихся текущих объемах в начале такта «Рабочий ход» после открытия входных каналов 28 камер перетока 23 торцами лопастных поршней 5 и 6 (см. фиг.12, 15, 18, 21). Далее осуществляется такт «Рабочий ход» уже в закрытых увеличивающихся по величине текущих объемах (см. фиг.13, 14, 16, 17, 19, 20, 22).
При сообщении расширяющихся текущих объемов с выпускными каналами 19 начинается и продолжается такт «Выпуск отработавших газов» (см. фиг.12, 13, 15, 16, 18, 19, 21, 22) вплоть до смыкания граней лопастных роторов 5 и 6. Текущие объемы при сомкнутых гранях лопастных роторов 5 и 6 минимальны. Это обеспечивает практически полное удаление отработавших газов из рабочей полости корпуса 1. Такая последовательность осуществления тактов и специфических фаз (т.е. выход и вход в рабочую полость рабочего тела через выходные 27 и входные 28 каналы камер перетока 23) обеспечивает нормальную работу РПДВС, имеющего камеры перетока 23.
На фиг.24 показана камера перетока 23, установленная на корпусе 1 на теплоизолирующей газонепроницаемой прокладке 24. Такое конструктивное исполнение камеры перетока 23 обеспечивает двоякий положительный эффект: теплоизоляцию корпуса 1 от горячих камер перетока 23, а также их постоянно высокую температуру. Высокая температура необходима для надежного воспламенения топлива независимо от его сорта, а также способствует приближению к адиабатичности процесса горения топлива.
На фиг.25 показана камера перетока 23 с разделителем 26 и положение лопастных роторов 5 и 6 в начале фазы их смыкания (т.е. расстояние между гранями близко к минимальному, но обе грани находятся еще слева от вертикальной оси координатной оси кинематического механизма). Разделитель 26 обеспечивает кратковременную изоляцию граней лопастных поршней 5 и 6 во время процесса их смыкания от рабочего тела с высоким давлением и температурой в камерах перетока 23 (см. фиг.11, 14, 17, 20, 23). При смыкании граней лопастных поршней 5 и 6 их относительные скорости минимальны. Поэтому величина интервала времени изоляции разделителем 26 граней лопастных поршней 5 и 6 от пиковых значений температуры и давления рабочего тела имеет существенное значение для снижения их термической и механической нагрузки. Это повышает надежность работы РПДВС.
С введением в камеру перетока 23 разделителя 26 между ее стенками и гранями разделителя 26 образуются конструктивно явно выраженные функциональные каналы камеры перетока 23. Это выходной канал 27 и входной канал 28.
На фиг.26 показана камера перетока 23, имеющая стенки 25 из высокопористой с хорошей газопроницаемостью термостойкой, например из карбида кремния, керамики. Такие керамические стенки 25 с хорошей газопроницаемостью и значительной теплоемкостью при работе РПДВС имеют постоянно высокую температуру. Это обстоятельство обеспечивает надежность воспламенения и полноту сгорания топлива при наибольшей степени сжатия при наполнении камер перетока 23 топливо-воздушной смесью [4]. Результатом такого применения пористой керамики в РПДВС является возможность его работы на различных сортах топлива с хорошими показателями экономичности и экобезопасной эксплуатации.
На фиг.27 показан простейший РПДВС, имеющий корпус 1 с торообразной рабочей полостью. Его работа аналогична ранее описанному РПДВС с кольцевой рабочей полостью (см. фиг.1 и 11-23). Однако выполнение корпуса 1 с торообразной рабочей полостью позволяет уменьшить количество угловых стыков между элементами уплотнения использованием компрессионных колец. Это минимизирует утечки сжатого газа и упрощает систему уплотнения лопастных поршней 5 и 6.
Показанный на фиг.28 РПДВС имеет выходной вал 7 с двумя эксцентриками 8 и двухсекционный корпус 1, который расположен между двумя ранее описанными планетарными механизмами (см. фиг.2-10). Разворот секций корпуса 1 и эксцентриков 8 общего выходного вала 7 один относительно другого должен быть таким, чтобы при работе РПДВС крутящие моменты от обеих секций складывались на выходном валу 7. Величина такого разворота может достигать 180° и определяется специалистами исходя из конкретных требований и условий работы РПДВС. Как правило, выбираются такие углы разворота секций корпуса 1 и эксцентриков 8, чтобы смещением фаз максимальной и минимальной амплитуд величины крутящих моментов от каждой из секций получить наиболее «сглаженный» суммарный крутящий момент.
На фиг.29 показан аппроксимированный синусоидой график изменения величины крутящего момента M=f (<p), где φ - угол поворота выходного вала 7 простейшего РПДВС (см. фиг.1, 11-23, 28), который имеет односекционный корпус 1. В этом случае крутящий момент имеет большую амплитуду изменения его величины и даже отрицательную составляющую. Поэтому надо делать зубчатый венец 12 массивным для выполнения им также функции маховика. Это утяжеляет двигатель.
РПДВС с двухсекционным корпусом 1 (см. фиг.28) имеет сглаженный результирующий крутящий момент в результате сложения на общем выходном валу 7 крутящих моментов от обеих секций. На фиг.30 литерой «A» обозначен аппроксимированный синусоидой график крутящего момента от левой секции, литерой «B» - от правой секции, литерой «C» - суммарный график от обеих секций без отрицательной составляющей. Следовательно, при работе РПДВС с двухсекционным корпусом 1 и сопряжении такого двигателя с нагрузкой уровень вибраций будет меньше. Это благоприятно сказывается на надежности и ресурсе работы как его самого, так и нагрузки. В этом случае зубчатый венец 13 может быть минимального веса и изготавливаться из условий достаточной прочности. Это снижает вес и материалоемкость РПДВС.
Планетарный кинематический механизм РПДВС позволяет на его базе достаточно просто осуществлять редуцирование оборотов и крутящего момента двигателя. На фиг.31 показана кинематическая схема имеющего редуктор РПДВС с планом мгновенных скоростей звеньев этого редуктора. В данном случае крутящий момент РПДВС снимается с редукторного вала 29, который имеет редукторное зубчатое колесо 30. Оно находится в зацеплении с промежуточным зубчатым колесом 31, установленным на планетарном колесе 11. На фиг.31 литерами OQ обозначен эксцентриситет эксцентрика 8, который проходит через ось планетарного зубчатого колеса 11. Значение мгновенной скорости эксцентрика 8 обозначено вектором QV1. Соответственно угловая скорость выходного вала 7 определяется углом между вертикалью и отрезком OV1 и обозначена литерой ω1. Место зацепления планетарного зубчатого колеса 11 с неподвижным зубчатым колесом 12 имеет «нулевую» скорость. Это место находится на вертикальной оси OQ и обозначено на фиг.31 литерой С. Следовательно, прямая CV1 соответствует значениям мгновенных скоростей материальных точек, которые лежат в плоскости вертикальной оси OQ. Сюда также входит место зубчатого зацепления промежуточного зубчатого колеса 31 с редукторным зубчатым колесом 30. Это место обозначено основанием вектора мгновенной линейной скорости, который обозначен литерами RV2. Редукторное зубчатое колесо 30 закреплено на редукторном валу 29. Поэтому его угловая скорость определяется углом между вертикалью и отрезком OV2. Этот угол обозначен литерой ω2. В данном случае ω2<ω1. Это означает меньшую скорость вращения и соответственно больший крутящий момент редукторного вала 29 по сравнению с выходным валом 7. В общем случае величина редукции оборотов выходного вала 7 и направление вращения редукторного вала 29 зависят от величины эксцентриситета эксцентрика 8; соотношения диаметров неподвижного зубчатого колеса 12 и планетарного зубчатого колеса 11; соотношения диаметров промежуточного зубчатого колеса 31 и редукторного зубчатого колеса 30.
Возможность изменения направления вращения редукторного вала 29 РПДВС без добавления каких-либо новых кинематических звеньев иллюстрирует фиг.32. В данном случае критичным для изменения направления вращения редукторного вала 29 является больший диаметр редукторного зубчатого колеса 30 по сравнению с диаметром неподвижного зубчатого колеса 12. Этим определяется противоположное вектору QV1 направление вектора RV3 относительно положения «нулевой» точки мгновенных скоростей на вертикальной оси плана мгновенных скоростей. Соответственно получаем противоположное направление вращения редукторного вала 29.
Для иллюстрации реверсивного редуцирования взяты исходные данные предыдущего случая для построения плана мгновенных скоростей. Это такое же значение величины и направления вектора QV1 скорости центра вращения планетарного зубчатого колеса 11 на эксцентрике 8 выходного вала 7. От конца вектора QV1 из точки V1 проводится прямая через точку С центра мгновенных скоростей на вертикальной оси OQ до пересечения с линией проекции зубчатого зацепления колес 30 и 31. Так получаем графическое значение вектора RV3 линейной скорости этого зацепления. Угол между вертикальной осью и пунктирной прямой OV3, который обозначен ω3, дает графическое значение направления и величины угловой скорости вращения редукторного зубчатого колеса 30 и редукторного вала 29. Как видно на фиг.32, направления величин ω1 и ω3 противоположны, это означает противоположность направлений вращения валов 7 и 29. При этом |ω3|<|ω1|, что означает меньшую скорость вращения и больший крутящий момент редукторного вала 29 по сравнению с выходным валом 7.
Тепловые машины, которые работают по замкнутому термодинамическому циклу, например двигатели с внешним сгоранием по схеме Стерлинга [5], холодильные машины или тепловые насосы, могут иметь конструктивное исполнение в виде РПМ в соответствии с излагаемым ниже материалом. В этих различных по функциональному назначению тепловых машинах циклические процессы сжатия и расширения рабочего тела происходят при различных уровнях температур. При этом управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема. Этот принцип положен в основу преобразования теплоты в работу или, наоборот, работы в теплоту [6]. Для эффективной работы таких тепловых машин целесообразна минимизация суммарных объемов, включая выходные 27 и входные 28 каналы, а также впускных 18 и выпускных 19 каналов, как это показано на фиг.33 и 34.
На фиг.33 показаны выполненные непосредственно в корпусе 1 роторно-поршневой машины выходной 27 и входной 28 каналы, разделенные разделителем 26. В данном случае разделитель 26 конструктивно выполнен как единое целое с корпусом 1. На фиг.33 показано рабочее положение, когда оба канала 27 и 28 перекрываются торцом одного из лопастных поршней 5 или 6. Этим обеспечивается разделение уменьшающегося (расположенного со стороны впускного канала 18) и увеличивающегося (расположенного со стороны выпускного канала 19) текущих объемов, примыкающих к их граням.
На фиг.34 показано рабочее положение, когда оба канала 27 и 28 перекрываются торцами обоих сомкнутых лопастных поршней 5 и 6, также разделяя увеличивающийся и уменьшающийся текущие объемы, примыкающие к их граням. Отличие от двигателя внутреннего сгорания в данном случае заключается в том, что соединение каналов 27 и 28 и соответственно переток рабочего тела в тепловых машинах с замкнутым термодинамическим циклом (типа Стерлинга) осуществляется уже за пределами камеры перетока 23.
На фиг.35 показаны выполненные непосредственно в корпусе 1 роторно-поршневой машины впускной 18 и выпускной 19 каналы относительно небольшого объема, разделенные отдельно не обозначенной перемычкой корпуса 1.
На фиг.36 показана РПМ объемного расширения, работающая по циклу Стерлинга [6]. Она имеет планетарный кинематический механизм с передаточным числом i=3/4 зубчатой пары - колес 11 и 12. Работа такого механизма подробно описана выше (см. фигуры 2-10). Соединительные патрубки 32 обеспечивают передачу рабочего тела между РПМ, нагревателем 33 и холодильником 34 по замкнутому контуру. Положение лопастных поршней 5 и 6 на фиг.35 соответствует 90° угла поворота выходного вала 7. Рабочая полость корпуса 1 такого двигателя подобна полости РПДВС (фиг.11-23) и имеет по паре осесимметрично расположенных впускных 18 и выпускных 19 каналов, а также входные 27 и выходные 28 каналы. Эти каналы посредством соединительных патрубков 32 соединены:
впускные каналы 18 - с выходом холодильника 34 (этот выход графически обозначен выпуклостью);
выпускные каналы 19 - с входом холодильника 34 (этот вход графически обозначен вогнутостью);
выходные каналы 27 - с входом нагревателя 33 (этот вход графически обозначен вогнутостью);
входные каналы 28 - с выходом нагревателя 33 (этот выход графически обозначен выпуклостью).
На фиг.37-40 схематически показано сечение по рабочей полости корпуса 1 простейшего двигателя Стерлинга для 4-х положений (0°; 45°; 90°; 135°) угла поворота выходного вала 7. Здесь также показаны соответствующие им положения лопастных поршней 5 и 6 относительно каналов 18, 19, 27 и 28. Этот двигатель подобно РПДВС имеет 8 текущих рабочих объемов (см. фиг.11-23), в которых циклы рабочего процесса протекают аналогично циклам РПДВС. Для нормальной работы такого двигателя внешнего сгорания важно эффективное охлаждение рабочего тела в холодильнике 34 после совершения им полезной работы в ходе расширения. При прохождении рабочего тела через нагреватель 33 также важен его эффективный нагрев до температуры, которая обеспечивает эффективное выполнение полезной работы при его расширении.
Холодильная машина (см. фиг.41) подобна двигателю внешнего сгорания (см. фиг.36). Конструктивное отличие холодильной машины заключается в ее комплектации терморегулирующим дросселем 35. Такая РПМ осуществляет обратное преобразование механической работы вращения выходного вала 7 в разницу температур испарителя 36 (он имеет низкую температуру и поглощает тепло) и радиатора 37 (он имеет высокую температуру и отдает тепло). Как правило, холодильная машина работает при постоянных оборотах вращения выходного вала 7. Управляют режимом работы такой холодильной машины регулировкой дросселя 35. При этом изменяется потребляемая РПМ механическая мощность, а также разница температуры испарителя 36 и радиатора 37 с соответствующим количеством поглощения и отвода тепла.
Конструктивно подобна ранее подробно описанным (РПДВС - см. фиг.1-23; двигатель по схеме Стерлинга - фиг.33-40; холодильная машина - фиг.41) РПМ для сжатия (компрессор) или перекачки различных газов. На фиг.42 показаны выходной 27 и входной 28 каналы РПМ с передаточным отношением планетарной зубчатой пары i=3/4. Особенностью ее входного канала 28 является его существенно расширенная фаза. Это позволяет иметь 4 пары выходных 27 и входных 28 каналов (см. фиг.43). Эти каналы соответственно подключены соединительными патрубками 32 к входному 38 и выходному 39 коллекторам. Такая РПМ также может использоваться в качестве вакуумной машины для откачки различного рода газов.
РПМ могут использоваться в качестве гидроперекачивающих машин для перекачки различного рода жидкостей, например, в технологических линиях для мерного наполнения объема(ов). Это возможно потому, что количеству оборотов выходного вала 7 однозначно соответствует количество перекачанной жидкости (при условии полного заполнения жидкостью рабочего контура РПМ). РПМ для объемной перекачки жидкостей (фиг.45) с передаточным отношением планетарной зубчатой пары i=3/4 (в данном случае для 8 текущих объемов) подобно компрессору (фиг.43) имеет 4 пары выходных 27 и входных 28 каналов. Эти каналы соответственно подключенны соединительными патрубками 32 к входному 38 и выходному 39 коллекторам. На фиг.44 показаны выходной 27 и входной 28 каналы гидроперекачивающей РПМ. Ее выходные 27 и входные 28 каналы, подобно аналогам, расположены по обе стороны от разделителей 26. Фазы выходных 27 и входных 28 каналов (фиг.44) выполнены так, чтобы при смыкании граней (углы поворота выходного вала 7, кратные 135°) торцами лопастных поршней 5 и 6 и разделителями 26 обеспечить их изоляцию один от другого.
В отличие от сжимаемого газа жидкости практически не сжимаемы. Это обстоятельство необходимо учитывать, чтобы избежать явления гидравлического удара при работе объемных гидроперекачивающих машин. Грани лопастных поршней 5 и 6 гидроперекачивающих машин должны иметь компенсатор 40 из упруго-объемного материала, например, пористой гидронепроницаемой резины. Для исключения возможности гидроудара можно грани лопастных поршней 5 и 6 снабдить сопряженными с ними герметичными объемами с упругими стенками 41. Этим обеспечивается нормальная работа такой гидроперекачивающей РПМ.
Промышленная применимость
Предлагаемая роторно-поршневая машина объемного расширения не имеет каких-либо конструктивных особенностей, которые предполагают использование специфических материалов, покрытий, инструментов, оборудования и особых приемов их применения, не известных в общем машиностроении. Для реализации изобретения предполагается использование существующих материалов, оборудования и известных в настоящее время технологий. Следовательно, предлагаемая роторно-поршневая машина объемного расширения может серийно изготовляться и использоваться в промышленных масштабах.
Литература
1. Архангельский В.М. и др. Автомобильные двигатели. - М.: Машиностроение. - 496 с., стр.106-107.
2. Ленин И.М. и др. Автомобильные и тракторные двигатели (Теория, системы питания, конструкции и расчет). Высш. школа. - М.: 1969, стр.120.
3. Ленин И.М. Автомобильные и тракторные двигатели (Теория, системы питания, конструкции и расчет). Высш. школа. - М., 1969, стр.90, 95.
4. Durst, F., Weclas, М. 2001, A new type of internal combustion engine based on the porous-medium combustion technique, J. Automobile Engineering, IMechE, part D, No. D04999,215, pp.63-81). 5. (Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стерлинга: Пер. с англ. д-ра техн. наук СС. Ченцова. - М.: Мир, 1986. - 464 с., ил. стр.13; Stirling Engines. Grehem T. Reader, Charles Hooper. London New York; E&F. N. Spon.
6. Уокер Г. Двигатели Стирлинга/Сокр. пер. с англ. Б.В. Сутугина и Н.В. Сутугина. - М.: Машиностроение, 1985. - 408 с., ил.; стр.9. / G. Walker. Stirling Engines; Clarendon Press, Oxford, 1980.