СИСТЕМА УПЛОТНЕНИЙ РОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
ROTARY INTERNAL COMBUSTION ENGINE SEALING SYSTEM

Изобретение относится к двигателестроению, а именно - к системам уплотнений двигателей внутреннего сгорания с вращающимися рабочими органами, которые могут быть использованы в энергетическом машиностроении в качестве гидродвигателя, насоса и двигателя внутреннего сгорания на водном и сухопутном транспорте.
Известна система уплотнений роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащая радиальные уплотнения (см. RU 2239703, С1, МПК 7 F01C 19/00, F02B 55/02).
Радиальные уплотнения, расположенные в пазах лопастей, выполнены в виде кольца, установленного в канавке поршня, взаимодействующего как с рабочей поверхностью корпуса, так и с рабочей поверхностью ползуна.
Такое конструктивное решение радиального уплотнения не позволяет надежно герметизировать рабочую камеру двигателя из-за технической невозможности одновременно иметь постоянный контакт как с рабочей поверхностью корпуса, так и с поверхностью ползуна. Требуется высокая точность исполнения и стабильность размеров рабочей поверхности корпуса и ползуна в течение всего периода эксплуатации двигателя. Иначе говоря, необходимо гарантировать движение центра поршня по контуру, образующему рабочую поверхность двигателя, что невозможно, так как имеет место износ поверхностей и в результате происходит отрыв от поверхности ползуна кольца и потеря заряда.
Геометрия рабочей поверхности корпуса двигателя сложна в изготовлении и требует наличия поршня, шарнирно связанного с ползуном, что усложняет конструкцию двигателя.
Наличие всего одного кольца в канавке поршня (по сравнению с поршневыми двигателями, где 3…5 компрессионных колец) также существенно снижает степень герметизации рабочих камер роторно-поршневого двигателя.
Существенным недостатком данной конструкции радиального уплотнения-кольца является то, что поджим кольца осуществляется кроме сил упругости кольца еще и действием на кольцо сил инерции, величина которых зависит от квадрата частоты вращения ротора. В результате действия этих сил существенно увеличивается износ рабочих поверхностей корпуса и ползуна, приводящий к существенному снижению моторесурса двигателя.
При движении лопастей в пазах ротора под воздействием давления газов происходит их перекос и взаимодействие кромок пазов ротора с плоскостями лопастей. При этом происходит износ лопастей, утечка заряда через зазор между стенками пазов ротора и лопастями, снижение механического КПД двигателя, что существенно снижает мощность и удельные весогабаритные показатели двигателя.
Чтобы устранить кромочное трение, утечку заряда через зазоры между стенками пазов ротора и лопастями, сохранить механический КПД двигателя, предлагаем установить в зонах кромок пазов ротора тангенциальное уплотнение в виде полуцилиндрических самоустанавливающихся на всю ширину ротора вставок с уплотнительными пластинами, подпружиненными эспандерами к лопастям.
Создание надежной системы уплотнений с высокой степенью герметизации и устранение кромочного трения лопастей является задачей, на решение которой направлено данное изобретение.
Сущность изобретения заключается в том, что радиальные уплотнения выполнены в виде пары смежных соприкасающихся уплотнительных пластин, расположенных в пазах лопастей и индивидуально подпружиненных к рабочей поверхности корпуса скругленными по радиусу кромками со скосами внутри уплотнительных пластин, образующих лабиринт-карман. Каждая из уплотнительных пластин связана с противовесом посредством двух шестерен и пары параллельных зубчатых реек, установленных как на уплотнительных пластинах, так и на противовесах, попарно расположенных слева и справа в пазах лопастей, причем шестерни установлены попарно на общих осях, закрепленных в стенках лопастей. В зонах кромок пазов ротора с обеих сторон лопастей выполнены тангенциальные уплотнения в виде полуцилиндрических самоустанавливающихся вставок с уплотнительными пластинами, подпружиненными эспандерами к лопастям.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на
фиг.1 - изображен поперечный разрез В-В двигателя на фиг.2, система уплотнения;
фиг.2 - продольный разрез Б-Б двигателя на фиг.1, система уплотнения;
фиг.3 - разрез А-А двигателя на фиг.1, система уплотнения;
фиг.4 - разрез Г-Г двигателя на фиг.3, система уплотнения;
фиг.5 - разрез Д-Д на фиг.2, система уплотнения;
фиг.6 - вид I на фиг.5, система уплотнения.
Система уплотнений роторного двигателя внутреннего сгорания содержит радиальные уплотнения 1, расположенные в пазах лопастей 2, контактирующие с рабочей поверхностью 3 корпуса 4 и выполненые в виде пары смежных соприкасающихся уплотнительных пластин 5, индивидуально поджимаемых пружинами 6 к рабочей поверхности 3 корпуса скругленными кромками 7 со скосами внутрь обеих уплотнительных пластин, образующих лабиринт-карман 8.
Каждая уплотнительная пластина 5 связана с противовесом 9 посредством зубчатого зацепления шестерен 10 и пары параллельных зубчатых реек 11 и 12, установленных соответственно на уплотнительных пластинах 5 и противовесах 9. Зубчатые зацепления шестерен 10 и реек 11 и 12 попарно расположены слева и справа в пазах лопастей 2. Лопасти 2 расположены в пазах, выполненных в роторе 13, установленном на валу 14 двигателя. Шестерни 10 установлены попарно на общих осях 15, закрепленных в стенках 16 лопастей 2. В зонах кромок пазов ротора с обеих сторон лопастей выполнены полуцилиндрические самоустанавливающиеся вставки 17 с уплотнительными пластинами 18, подпружиненными эспандерами к лопастям 2.
При вращении ротора 13, расположенного на валу 14, на радиальные уплотнения 1, уплотнительные пластины 5 и противовесы 9 действуют силы инерции.
Силы инерции, действующие на уплотнительные пластины 5, передаются посредством зубчатого зацепления от зубчатой рейки 11 шестерне 10. Силы инерции, действующие на противовесы 9, передаются посредством зубчатого зацепления от зубчатой рейки 12 шестерне 10. Таким образом, при равенстве сил инерции, действующих на уплотнительную пластину 5 и противовес 9, устанавливается равновесное состояние между ними, не зависящее от сил инерции, возникающих при вращении ротора. Поджим каждой уплотнительной пластины к рабочей поверхности корпуса осуществляется пружинами 6, жесткость которых определяется расчетом по формуле Герца, определяющей максимальное контактное напряжение.
Таким образом, применяя уравновешенное радиальное уплотнение, можно заранее на новом двигателе назначить силу поджима, определяющую нужный моторесурс опытного роторного двигателя.
Уравновешенность обеспечивается расчетом по формулам:
1
1
ρ
1
2
Fj=m·ω ·ρ
2
ρ
2
1
2
1
2
ρ
1
2
2
2
Fj=m·ω ·ρ, где Fj и Fj - силы инерции, действующие соответственно на центры тяжести (ЦТ) уплотнительной пластины 5 и противовеса 9; m и m - масса уплотнительной пластины 5 и противовеса 9; ω - частота вращения ротора 13; ρ и ρ- расстояния от центров тяжести (ЦТ) уплотнительной пластины 5 и противовеса 9 до оси вращения ротора 13 соответственно.
Условие равновесия радиальных уплотнений:
1
2
Fj=Fj.
При равенстве сил инерции, действующих на уплотнительную пластину 5 и противовес 9, устанавливается равновесие. Следовательно, инерционный поджим уплотнительной пластины 5 к рабочей поверхности 3 корпуса 4 будет равен нулю и будет осуществляться только упругим элементом, например пружиной 6 с оптимальным расчетным усилием. В этом случае степень поджима уплотнительной пластины 5 не будет зависеть от частоты вращения ротора 13, что приводит к минимальному износу как радиальных уплотнений 1 и рабочей поверхности 3 корпуса 4 двигателя.
Наличие в одном пазе лопасти 2 двух уплотнительных пластин существенно повышает герметизацию рабочей камеры двигателя. Выполнение кромок уплотнительных пластин со скосами во внутрь обеих уплотнительных пластин обеспечивает своеобразный лабиринт для газов и карман для масла с целью смазки рабочих кромок уплотнительных пластин и рабочей поверхности корпуса 3 для уменьшения износа.
При давлении газов лопасти 2 взаимодействуют своими плоскостями с полуцилиндрическими вставками 17, которые самоустанавливаются своими плоскостями к плоскостям лопастей 2. Плоскостное взаимодействие лопастей и полуцилиндрических вставок 17 устраняет кромочное трение без снижения механического КПД, мощности и удельных весогабаритных показателей двигателя, а также устраняет кромочный износ лопастей. Наличие уплотнительных пластин 18, установленных в полуцилиндрических вставках, обеспечивает надежное тангенциальное уплотнение, устраняет утечки заряда через зазоры между стенками лопастей и пазов ротора, а также негативное влияние кромочного трения на механический КПД двигателя.