РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области конструирования роторно-поршневых объемных машин, в частности, двигателей, компрессоров, насосов и может быть использовано, в частности, в автомобилестроении и авиации.
Известна конструкция объемной машины (пат США №3592571, оп. 13.07.1971 г), содержащая два цилиндрических корпуса. Первый корпус - рабочая часть - выполнен с всасывающими и выхлопными окнами. Внутри него размещены с возможностью вращения две втулки с лопастями и подвижными боковыми крышками, образующие рабочие камеры. Первый цилиндрический корпус связан через указанные втулки и вал со вторым цилиндрическим корпусом, в котором размещен механизм синхронизации, содержащий полое водило с системой рычагов, коленвалов, сателлитов, тяг и солнечное колесо. Втулки и вал осуществляют кинематическую связь с выходным валом. При этом солнечное колесо жестко соединено со вторым корпусом.
Недостатками данной конструкции являются:
- недостаточная надежность уплотнения рабочих камер, вследствие наличия стыка между двумя соосными втулками, а также наличия подвижных боковых крышек, что усложняет систему уплотнения рабочих камер и ухудшает компрессионные характеристики двигателя,
- кроме того, наличие подвижных боковых крышек усложняет систему их охлаждения, а также охлаждения втулок и поршней,
- недостаточная жесткость, вследствие возникновения изгибающего момента на выходном валу, связанная с консольным закреплением выходного вала, что увеличивает вибрацию двигателя,
- большие габариты, вследствие того, что рабочая часть и механизм синхронизации находится в двух отдельных корпусах, что также снижает жесткость конструкции, повышает вибрацию двигателя.
Несмотря на известные преимущества роторно-поршневых машин, которыми обладает указанная объемная машина, вследствие отмеченных недостатков, особенно из-за невысоких компрессионных характеристик, использование этой машины в качестве двигателя малоэффективно.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип является роторно-поршневая машина (патент РФ №2084641, оп. 27.05.2007 г.), рабочая часть которой содержит цилиндрический корпус, жестко соединенный с боковыми стенками, втулочный элемент, состоящий их двух соосных втулок одинакового диаметра, с жестко закрепленными на них лопастями (поршнями), установленные с возможностью вращения внутри корпуса с образованием рабочих камер и кинематически связанные с выходным валом посредством механизма синхронизации, включающего тяги, саттелит с кривошипами, водило и солнечное колесо, при этом кривошипы расположены диаметрально и жестко закреплены на сателлите. Солнечное колесо жестко связано с корпусом, а водило жестко соединено с выходным валом. Механизм синхронизации размещен в полости втулок.
Недостатками известной машины являются:
- недостаточная надежность системы уплотнения рабочих камер, что снижает компрессионные характеристики двигателя по причине наличия двух втулок и стыка между ними, следствием чего является необходимость обеспечения уплотнения не только торцов втулок в месте сопряжения их с боковыми стенками корпуса, но еще дополнительно и необходимость обеспечения уплотнения стыка между втулками, что усложняет систему уплотнения, ухудшает компрессионные характеристики двигателя и приводит к наличию трения в месте стыка между втулками, а также по причине возникновения несоосности втулок из-за разности, оказываемых на них реактивных сил со стороны тяг механизма синхронизации и нарушения,
вследствие этого, уплотнения по плоскости сопряжения между втулками и поршнем,
- повышенные механические нагрузки на втулки, возникающие вследствие того, что крутящий момент от поршней (лопастей), жестко закрепленных на двух соосных втулках, передается на выходной вал посредством механизма синхронизации непосредственно через эти втулки, что приводит к появлению повышенных механических нагрузок во втулках и делает необходимым выполнять их более прочными, т.е. делать стенки втулок более толстыми и массивными, а это, в свою очередь, ухудшает, например, условия их охлаждения, что ведет к повышенному нагреву втулок и, как следствие, увеличению износа элементов рабочей части, а также, увеличению инерционных нагрузок на механизм синхронизации, вызванных утолщением стенок,
- повышенное радиальное биение поршней (лопастей) о внутреннюю поверхность корпуса двигателя, вследствие того, что реактивные силы от механизма синхронизации через тяги и втулки действуют непосредственно на поршни, прижимая их к корпусу, тем самым увеличивая трение поршней о корпус, а так как величина реактивных сил изменяется во времени, это приводит к радиальному биению поршней, увеличению вибрации двигателя, и увеличению нагрузок на уплотнительные элементы поршней,
- недостаточная жесткость выходного вала, связанная с его консольным закреплением и возникновением вследствие этого изгибающего момента на выходном валу, что приводит к увеличению радиального биения поршней, дополнительному увеличению вибрации двигателя, и повышенному износу подшипника вала,
- чрезмерно большие габариты в радиальном от центрального вала направлении, вследствие использования компоновки двигателя, где механизм синхронизации расположен в полости втулок, что значительно увеличивает размер двигателя в поперечном сечении и увеличивает
инерционные нагрузки на поршни двигателя и, как следствие, увеличивает нагрузки на механизм синхронизации,
- кроме того, размещение механизма синхронизации в полости соосных втулок усложняет технологию сборки двигателя.
Вследствие отмеченных недостатков использование известной машины в качестве двигателя малоэффективно.
Задачей, на решение которой направлено данное техническое решение, является устранение недостатков прототипа, благодаря чему достигается увеличение КПД роторно-поршневых двигателей, за счет улучшения компрессионных характеристик двигателя, снижения нагрузок на элементы рабочей части двигателя (в том числе на уплотнительные элементы) и на механизм синхронизации, снижения трения в рабочей части двигателя.
Кроме того, задачей изобретения является уменьшение габаритов двигателя в радиальном направлении от выходного вала.
Поставленная задача достигается тем, что роторно-поршневой двигатель, содержащий корпус, рабочая часть которого включает цилиндрический корпус, боковые стенки и имеет всасывающие и выхлопные окна, внутри которой установлен втулочный элемент с возможностью вращения и размещены также с возможностью вращения, как минимум, два поршня с образованием рабочих камер, при этом поршни кинематически связаны посредством механизма синхронизации с расположенным в корпусе двигателя выходным валом, согласно изобретения, двигатель снабжен, установленными на выходном валу, двумя промежуточными элементами, по меньшей мере, один из которых установлен с возможностью вращения, каждый из которых выполнен в виде ступицы, жестко связанной с соответствующим поршнем, по меньшей мере, одна их которых снабжена рычагом, кинематически связанным с механизмом синхронизации, причем выходной вал установлен в корпусе двигателя с возможностью вращения в двух опорах, а втулочный элемент выполнен в виде одной втулки.
Корпус двигателя состоит из двух частей - рабочей части и картера, жестко связанных между собой.
Механизм синхронизации установлен в полости картера.
Каждый поршень жестко связан со ступицей через окна во втулке, например с помощью центрирующих пальцев.
В отличие от прототипа, где в качестве втулочного элемента использованы две соосные втулки одинакового диаметра, применение в заявляемой конструкции в качестве втулочного элемента одной втулки упрощает систему уплотнения, т.к. уплотняются только торцы втулки в месте сопряжения ее с боковыми стенками корпуса, а также обеспечивается более надежное уплотнение по плоскости сопряжения втулки с поршнями в процессе работы двигателя, что приводит к улучшению компрессионных характеристик двигателя.
Наличие в заявляемой конструкции двух, установленных с возможностью вращения на выходном валу, промежуточных элементов, каждый из которых выполнен в виде ступицы, жестко связанной через окна во втулке с соответствующим поршнем, по меньшей мере, одна из которых снабжена рычагом, кинематически связанным с механизмом синхронизации, позволяет уменьшить радиальное биение поршней, уменьшить вибрацию двигателя, уменьшить трение поршней с внутренней поверхностью корпуса двигателя, при этом снижаются нагрузки на элементы рабочей части двигателя (корпус, боковые стенки, втулку, поршни, в том числе и уплотнительные элементы поршня), что повышает надежность системы уплотнения, тем самым улучшает компрессионные характеристики двигателя.
Кроме того, наличие промежуточных элементов позволяет снизить механические нагрузки на втулку, так как крутящий момент от поршней на выходной вал передается не через втулку, а через промежуточные элементы и механизм синхронизации, что увеличивает долговечность втулки и позволяет сделать ее менее массивной (стенки втулки можно сделать более
тонкими), а это, в свою очередь, улучшает охлаждение втулки, и, как следствие, при этом уменьшается трение втулки с поршнями и боковыми стенками, и кроме того, уменьшаются нагрузки на механизм синхронизации.
Исполнение корпуса двигателя из двух частей - рабочей части и картера, а также наличие промежуточных элементов позволяет вынести механизм синхронизации за пределы полости втулки, что позволяет уменьшить радиальные размеры двигателя, уменьшить инерционные нагрузки на поршни и, как следствие, уменьшить нагрузки на механизм синхронизации. Кроме того, позволяет сделать конструкцию более технологичной с точки зрения изготовления и сборки двигателя.
В отличие от прототипа, где выходной вал консольно закреплен, что приводит к появлению изгибающего момента на выходном валу, повышенной вибрации двигателя, радиальному биению поршней о корпус двигателя, повышенному износу подшипника вала, в заявляемой конструкции установка выходного вала в корпусе двигателя с возможностью вращения в двух опорах, т.е. выполнение выходного вала полноопорным делает конструкцию двигателя более жесткой, уменьшает вибрацию двигателя.
На фиг.1 представлен продольный разрез роторно-поршневого двигателя
На фиг.2 - разрез А-А на фиг.1,
На фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1, фиг.5, фиг.7, механизм синхронизации, кинематическая схема,
На фиг.4 представлен в увеличенном масштабе вариант исполнения уплотнения рабочей части двигателя,
На фиг.5 представлен продольный разрез двигателя, кинематическая схема,
На фиг.6 - разрез В-В на фиг.5
На фиг.7 представлен продольный разрез варианта двигателя с втулочным элементом, выполненным из двух соосных втулок, кинематическая схема.
На фиг.8 - разрез Г-Г на фиг.7
На фиг.9. - разрез Д-Д на фиг.7
Роторно-поршневой двигатель содержит корпус, состоящий из двух, жестко связанных частей, одна из которых является рабочей частью, а вторая является картером. Рабочая часть корпуса содержит цилиндрический корпус 1, боковые стенки 2, 3, при этом стенка 2 является смежной для рабочей части и картера, втулку 4, поршни 5, 6, имеющие форму кольцевых сегментов, установленные в рабочей части корпуса с возможностью вращения и образованием изолированных рабочих камер 7, 8. Боковые стенки 2,3 жестко соединены с корпусом 1. Поршни 5, 6 кинематически связаны с выходным валом 9, который выполнен полноопорным, т.е. установлен с возможностью вращения в двух опорах, например подшипниках. Одна из опор выполнена в боковой стенке 3 корпуса, а другая - в корпусе картера.
На выходном валу 9 установлены два промежуточных элемента, по крайней мере, один из которых имеет возможность вращения на указанном валу. Каждый промежуточный элемент выполнен в виде ступиц 10, 11 жестко связанных с рычагами соответственно 12, 13.
Поршни 5,6 жестко связаны, например, с помощью центрирующих пальцев 14, через окна 15,16 во втулке 4 каждый со своей ступицей соответственно 10, 11. В корпусе 1 выполнены впускные и выпускные окна 17,18.
Рычаги 12,13 через тяги 19, 20 связаны с кривошипным валом 21, на котором закреплена шестерня 22, которая находится в зацеплении с шестерней 23. Кривошипный вал 21 с шестерней 22 свободно вращается в опоре 24 центрального водила 25, которое жестко закреплено на выходном валу 9.
Промежуточный элемент может быть выполнен в виде нескольких жестко связанных между собой ступиц, что дает возможность выполнения варианта двигателя, имеющего несколько секций рабочей части.
Возможен вариант, когда одна из ступиц 10 или 11, которая жестко закреплена на валу 9, выполняется без рычага соответственно 12 или 13. При этом из механизма синхронизации исключается одна из соответствующих этому рычагу тяг 19 или 20.
В полости картера установлен механизм синхронизации, содержащий тяги 19, 20, кривошипный вал 21, шестерни 22, 23, опору 24, центральное водило 25.
Уплотнение стыков между торцами втулки 4 и боковыми стенками 2,3 рабочей части двигателя осуществляется с помощью уплотнительных колец 26, подпружиненных кольцевыми эспандерными пружинами 27. В боковых стенках рабочей части установлены втулки 28, 29, рабочие торцы которых, соприкасаясь с торцами уплотнительных колец 26 создают дополнительное уплотнение стыка с торцом втулки 4.
Уплотнение поршня 5 или 6 по внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1, наружной поверхности втулки 4, а также по поверхностям боковых стенок 2, 3 осуществлено с помощью двух L-образных уплотнительных пластин 30, 31, которые в сборе образуют прямоугольную рамку. L-образные уплотнительные пластины 30, 31 прижимаются к указанным уплотняемым поверхностям рабочей части с помощью эспандерных пружин 32.
Описанная выше конструкция двигателя не исключает возможности исполнения в отдельных случаях втулочного узла в виде двух соосных втулок одинакового диаметра, предпочтительно, в объемных машинах, где главным показателем является высокая объемная производительность, а не высокие компрессионные характеристики.
Устройство работает следующим образом.
Крутящий момент, приложенный к выходному валу 9, одновременно перемещает, закрепленное на выходном валу 9, центральное водило 25. Установленный в опоре 24 на центральном водиле 25 кривошипный вал 21, благодаря шестерне 22, обкатывающей неподвижно закрепленную на корпусе шестерню 23, вращается и через связанные с ним тяги 19,20, рычаги 12,13, ступицы 10,11, центрирующие пальцы 14 перемещают поршни 5,6 в корпусе 1, осуществляя рабочий цикл двигателя. Преимущества заявляемого изобретения следующие:
- увеличение КПД роторно-поршневых двигателей, за счет улучшения компрессионных характеристик двигателя, благодаря использованию в качестве втулочного элемента одной втулки, за счет снижения нагрузок на элементы рабочей части двигателя и на механизм синхронизации, благодаря использованию промежуточных элементов и полноопорного вала, за счет снижения трения в рабочей части двигателя,
- уменьшение габаритов двигателя в радиальном направлении от выходного вала,
- уменьшение вибрации двигателя,
- возможность использования современных термостойких композитных материалов в изготовлении элементов рабочей части, за счет снижения нагрузок на элементы рабочей части,
- создание конструкции более технологичной в изготовлении и сборке,
- упрощение конструкции и возможность выполнения варианта двигателя с рабочей частью, имеющей несколько секций, за счет использования в конструкции промежуточного элемента с несколькими жестко связанными между собой ступицами,
- повышение надежности и долговечности двигателя. Достигнутые преимущества позволяют использовать заявляемую конструкцию в качестве роторно-поршневого двигателя, обладающего высокими компрессионными характеристиками, высокой удельной мощностью, низкой вибрацией, высоким КПД, малыми габаритными
размерами в поперечном сечении, например в автомобилестроении и авиации.