РОТОРНО-ВОЛНОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROTARY WAVE ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а также может быть использовано в компрессоростроении и насосостроении.
Известны роторно-волновые двигатели внутреннего сгорания, например роторно-волновой двигатель (патент России №2155272) - объемная прямоточная машина, в которой установленный с минимальным зазором ротор совершает угловые колебания, образуя волны, перекатывающиеся по поверхности корпуса в компрессорном и расширительном отсеках. Однако сложность конструкции и большие осевые размеры ограничивают его применение.
Наиболее близким аналогом является роторно-волновой двигатель внутреннего сгорания (патент России №2304225), содержащий секции со спиральными полостями и размещенными в них подобными качающимися лопатками. Однако объемы полости, заключенные между точками контакта проскальзывающих поверхностей полостей и лопаток, имеют зазор, обусловленный условиями проскальзывания, что определяет утечки газа и снижает энергоэффективность.
Целью изобретения является повышение энергоэффективности.
Согласно изобретению двигатель, содержит ротор, качающийся на кривошипе вала, вращающегося в опорах корпуса с помощью устройства ограничения вращения, снабжен секциями, составленными из полостей, выполненных в корпусе, и качающихся в них лопаток, установленных на роторе, полости, а также лопатки ограничены в осевом и радиальном направлениях поверхностями, которые в радиальном направлении выполнены кривыми с направляющими спиральными линиями, центры которых в полостях размещаются на оси вала, а на лопатках размещаются на оси кривошипа, включает компрессорный и расширительный отсеки, камеру сгорания с топливными форсунками и свечой зажигания, впускное и выпускное окна. Кривошип на валу установлен под углом, а с точкой пересечения осей вала и кривошипа совпадают центры спиральных направляющих линий циклических кривых поверхностей, которые выполнены путем движения окружности переменного радиуса по спиральной направляющей, спиральные направляющие полостей размещены в плоскости, перпендикулярной к оси вала, а в лопатках в плоскости, перпендикулярной к оси кривошипа, поверхности, ограничивающие полости и лопатки в осевом направлении, выполнены коническими, их вершины совпадают с точкой пересечения осей вала и кривошипа, оси конических поверхностей, ограничивающих полости, совпадают с осью вала, а оси конических поверхностей, ограничивающих лопатки, совпадают с осью кривошипа.
Согласно другому варианту в двигателе секции, составленные из полостей и лопаток, установлены симметрично центральной плоскости, проходящей через точку пересечения осей вала и его кривошипа, и повернуты относительно друг друга на 180 градусов, причем центральная плоскость для полостей перпендикулярна оси вала, а для лопаток перпендикулярна оси кривошипа.
Таким образом, двигатель, содержащий корпус и ротор, качающийся на кривошипе вала, вращающегося в опорах корпуса с помощью устройства ограничения вращения, снабженный секциями, составленными из полостей, имеющих отсекаемые объемы, смещающиеся по спирали, в виде камер нагнетания и камер сгорания в компрессорном и расширительном отсеках, в корпусе выполнены впускное и выпускное окна, установлены топливные форсунки и свечи зажигания, отличается тем, что ось кривошипа пересекает ось вала, точка пересечения осей является центром механизма, полости ограничены поверхностями, вершины которых совпадают с центром механизма, и поверхностями, полученными путем качания спиралей относительно центра механизма, при этом образующая спираль перемещается по направляющим окружностям различного радиуса, поверхности, вершины которых совпадают с центром механизма, контактируют без зазора по прямым линиям и перекатываются друг по другу, полости снабжены сужающимся в поперечном сечении горлом, разделяющим компрессорный и расширительный отсеки.
Секции установлены симметрично плоскости, перпендикулярной оси корпуса, со смещением на 180 градусов.
Изобретение поясняется чертежами, где: на фиг.1 представлено сечение двигателя; на фиг.2 - схема размещения спиральных поверхностей на фиг.1; на фиг.3 - схема прохождения волн в полости; на фиг.4 - сечение корпуса; на фиг.5 - сечение ротора; на фиг.6 - схема образования циклической поверхности; на фиг.7 - схема секции; на фиг.8 - секция в разрезе на фиг.7.
Двигатель содержит корпус 1 и ротор 2. Ротор 2 качается на кривошипе 3 вала 4, вращающегося в опорных узлах корпуса. Кривошип 3 установлен на валу 4 под углом, а точка пересечения их осей является центром качания. Качание ротора 2 поддерживается устройством ограничения вращениям, например коническим зубчатым зацеплением с одинаковыми параметрами зубчатых колес, с вершинами, совпадающими с точкой пересечения осей кривошипа 3 и вала 4. В корпусе 1 и в роторе 2 выполнены секции, составленные из полостей 6 и размещенных в них лопаток 7. Полости 6 и лопатки 7 ограничены коническими поверхностями 8 и циклическими спиральными поверхностями 9. Циклические поверхности получены путем движения образующей окружности переменного радиуса по направляющей спиральной линии. Практически такая поверхность может быть получена на многокоординатном станке. Для этого в системе координат XYZ размещается локальная система координат xyz, в которой вращается вал, подобный валу 4, с кривошипом, подобным кривошипу 3, установленным под углом. Ось вала совпадает с осью x системы xyz. Точка пересечения осей вала и кривошипа совпадает с точкой начала координат системы xyz. Точка на конце кривошипа совпадает с точкой режущей кромки инструмента и при вращении вала описывает окружность, которая является образующей циклической поверхности. Радиус образующей окружности изменяется в зависимости от положения точки режущей кромки на кривошипе. Расстояние l (l1, l2, l3 …) от точки пересечения осей вала и кривошипа до точки режущей кромки изменяется и соответствует текущему радиусу спиральной линии, которая является направляющей циклической поверхности. Система xyz вращается относительно оси у вместе с размещенными в ней вращающимся валом и резцом. Ось х занимает положения x1, х2, х3 …. Вращение вала во вращающейся системе координат xyz и одновременный сдвиг режущей кромки по оси кривошипа позволяют получить необходимую циклическую поверхность. Вершины конических поверхностей 8 и центры спиральных направляющих циклических поверхностей 9 совпадают с точкой пересечения осей кривошипа 3 и вала 4. Конические поверхности 8 полостей 6 и лопаток 7 контактируют без зазора по образующим прямым линиям и перекатываются друг по другу. Циклические поверхности 9 полостей 6 и лопаток 7 проскальзывают по образующим окружностям. В полостях 6 и лопатках 7 выполнено горло, сужающееся в поперечном сечении, путем сближения циклических поверхностей 9. Горло разделяет компрессорный и расширительный отсеки. В нем размещена камера сгорания с форсунками и свечой зажигания. Поверхности 8 и 9 отсекают объемы полостей 6, которые в виде волн смещаются по спирали в компрессорном и расширительном отсеках. Волновые объемы в горле имеют минимальную величину и увеличиваются к периферийным концам полости 6, где они открываются и сливаются с атмосферой окружающей среды. Активными поверхностями, передающими давление сгорающих газов на вал, являются конические поверхности полостей и лопаток. Их площади к выпускному окну возрастают.
По второму варианту, с целью уравновешивания сил и удвоения момента сил на валу 4, секции установлены симметрично центральной плоскости, проходящей через точку пересечения осей кривошипа 3 и вала 4, и повернуты относительно друг друга на 180 градусов. Центральная плоскость симметрии полостей 6 перпендикулярна оси вала 4, а лопаток 7 перпендикулярна оси кривошипа 3.
Работает двигатель следующим образом. В опорах корпуса 1 вращается вал 4. На его кривошипе 3 качается ротор 2 с помощью устройства ограничения вращения 5. Лопатки 7 качаются в полостях 6. Конические поверхности 8 и циклические спиральные поверхности 9 точками контакта отсекают замкнутые волновые объемы в полости 6. Волны смещаются по спиральной полости 6 в направлении вращения вала 4 и меняют объем. Первоначально в компрессорном отсеке через впускное окно полость 6 имеет связь с окружающей средой. Во время смещения точек контакта взаимодействующих поверхностей полостей 6 и лопаток 7, сдвигающихся от впускного окна к камере сгорания, создается разрежение, а пространство, заключенное между точками контакта сопряженных поверхностей, заполняется воздухом. Волнообразные объемы в сужающемся горле уменьшаются, и происходит сжатие находящегося в них воздуха. В области горла в камеру сгорания впрыскивается топливо, которое поджигается свечой или, при достаточном давлении, самовоспламеняется. В расширительном отсеке волнообразные объемы увеличиваются по мере приближения к выпускному окну, газ расширяется и выходит в атмосферу. Энергия сгорающего топлива посредством активных конических поверхностей полостей и лопаток преобразуется в механическую энергию, создавая момент силы на валу 4.
Второй вариант исполнения, при котором секции установлены парами, симметрично центральной плоскости, со смещением по фазе на 180 градусов, позволяет получить подобный встречный поток, уравновешивающий осевые силы, действующие на ротор 2, и удваивающий момент сил на валу 4.
Эффективность двигателя определяется тем, что между контактирующими по образующим линиям перекатывающимися коническими поверхностями и проскальзывающими по образующим окружностям циклическими поверхностями полостей и лопаток отсутствует зазор. Площади активных конических поверхностей с приближением по спирали к выпускному окну увеличиваются. Текущий радиус спирали, на котором действует суммарная сила давления газов, увеличивается. Такие решения предотвращают утечки газа и повышают момент силы на валу.