РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания с вращающимися роторами.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания, в корпусе которого размещен ротор со смещением по отношению к оси корпуса двигателя (патент США №4688531). В роторе данного двигателя выполнены радиальные расточки, в которых размещены гильзы цилиндров с возможностью скольжения в радиальном направлении. При работе данного двигателя гильзы движутся вместе с ротором в окружном направлении и также возвратно-поступательно в радиальных расточках ротора. Поршни размещены в гильзах цилиндра и движутся только в окружном направлении вместе с ротором. Изменение объема между поверхностью поршня и поверхностью гильзы цилиндра происходит в результате радиального перемещения гильз цилиндра и обеспечивает всасывание горючей смеси через входное окно, затем сжатие в цилиндре и выпуск в рабочие камеры, которые образованы внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью ротора в радиальном направлении, В окружном направлении рабочие камеры ограничены наружной поверхностью двух соседних гильз и в осевом направлении ограничены боковыми крышками. Сгорание топлива происходит в рабочих камерах. Разность давлений в рабочих камерах вызывает вращение ротора. Процесс сжатия происходит частично в рабочих камерах и частично в гильзах цилиндров. Процесс расширения также осуществляется частично в рабочих камерах и частично в гильзах цилиндров. Для выхлопа отработавших газов предусмотрены выхлопные и продувочные отверстия. Воздух в продувочные отверстия подается вентилятором.
Недостатком данного двигателя является низкая надежность, поскольку в процессе работы наружная поверхность гильзы цилиндра нагревается до высокой температуры в рабочих камерах, где происходит сгорание топлива, и контактирует с ротором в радиальных расточках. В зоне контакта гильз и ротора возникает большое трение, поскольку в радиальных расточках ротора возникает усилие, вызывающее вращение ротора. Недостатком также является необходимость применения вентилятора для поступления свежего воздуха.
Известен роторный двигатель внутреннего сгорания (патент США US 2003047158), состоящий из корпуса, смещенного относительно оси вращения ротора. Лопатки присоединены к ротору шарнирно и создают отдельные камеры в двигателе. Каждая из камер обладает способностью работать по циклу Отто. Всасывание, сжатие, рабочий ход и выхлоп осуществляются за 720 градусов поворота ротора двигателя. Каждая камера обладает свечей зажигания и клапанами впуска и выпуска, которые позволяют всасывать свежую смесь и удалять отработавшие газы.
Недостатком двигателя является низкая надежность ввиду того, что шарнирные соединения крепления лопаток находятся в зоне сгорания топлива. Кроме того, сжатие и расширение рабочего тела происходит в одинаковых объемах, что не позволяет обеспечить полное расширение в процессе рабочего хода.
Известен роторный двигатель (патент РФ №2564366), в котором ротор выполнен в виде колеса со спицами и с размещенными в них каналами. Каналы в спицах служат направляющими для лопаток. В двигателе размещено выдвижное устройство, обеспечивающее возвратно-поступательное движение лопаток в каналах. Выдвижное устройство содержит кривошипы, шатуны и коромысло. Имеется также фиксирующее устройство, которое обеспечивает своевременное выдвижение лопаток.
Недостатком двигателя является сложность конструкции и невозможность полного расширения рабочего тела до давления близкого к атмосферному давлению.
Известна роторно-поршневая машина по патенту РФ №2255226, которая имеет корпус с полостью и ротор, в пазах которого размещены пластины. Ось корпуса смещена относительно оси ротора. Радиальное перемещение пластин осуществляется при помощи шарнирного соединения пластины с осью, совпадающей с осью корпуса. Между пластинами в окружном направлении размещена рабочая полость, которая в радиальном направлении ограничена наружной поверхностью ротора и внутренней поверхностью корпуса. Торцы пластин выполнены с таким соотношением между радиусом кривизны и шириной пластины в окружном направлении, которое позволяет перемещаться пластине в корпусе с минимальным зазором между внутренней поверхностью корпуса и конечной частью пластины. Роторно-поршневая машина имеет пластины, относящиеся к компрессорному узлу, и через разделительную стенку на роторе установлены пластины, относящиеся к двигателю. Горючая смесь поступает в рабочие камеры компрессорного узла через впускное отверстие и в рабочих камерах идет процесс сжатия. После сжатия горючая смесь через канал в стенке поступает в рабочую камеру двигателя, где происходит воспламенение и сгорание. Отработавшие газы удаляются в выхлопной канал. Вращение оси, совпадающей с осью корпуса, происходит за счет взаимодействие пластин с ротором в прорезях ротора. Съем мощности осуществляется с ротора. Преимуществом данного изобретения является компактность.
Недостатком данной роторно-поршневой машины является низкая надежность, вызванная трением пластин в пазах ротора двигателя. Именно воздействие пластин на ротор в пазах вынуждает вращаться ротор. Поскольку в рабочей камере происходит сгорание топлива, температура металла в зоне контакта пластин и ротора высока, что приводит к быстрому износу трущихся поверхностей.
За прототип принят ротационный двигатель по авторскому свидетельству СССР №1183691, который содержит корпус с овальной полостью, в которую помещен наружный ротор с радиальными прорезями. В прорезях наружного ротора размещены пластины, на внутреннем конце которых закреплены поршни. На пластинах помещаются перфорированные футляры. На одной оси с наружным ротором размещен внутренний ротор, в котором выполнены цилиндры и в цилиндрах размещены поршни. В цилиндрах и в корпусе выполнены впускные и выпускные окна, также в корпусе выполнены пазы для возвратно-поступательного перемещения пластин вместе с поршнями в радиальном направлении. Пластины в полости корпуса образуют рабочие камеры между стенками корпуса и наружного ротора. При работе ротационного двигателя свежий воздух поступает в цилиндры и после сжатия направляется в камеру сгорания, в которой происходит сгорание топлива. Рабочее тело по каналу из камеры сгорания поступает в рабочие камеры. Разность давления в рабочих камерах вызывает вращение наружного и внутреннего ротора.
Перфорированные футляры также как и пластины вращаются вместе с ротором и перемещаются в радиальном направлении в его прорезях. Они предназначены для того, чтобы на конечном участке расширения рабочего тела осуществлять работу по принципу турбины трения.
Преимуществом ротационного двигателя является то, что процесс расширения рабочего тела организован таким образом, что позволяет расширить продукты сгорания до низкого давления.
Недостатком данного двигателя является низкая надежность, поскольку высокая температура металла и значительная удельная нагрузка в месте контакта пластин и ротора в прорезях приводит к быстрому износу трущихся поверхностей.
Задачей настоящей полезной модели является создание двигателя, обладающего высокой надежностью при сохранении высокой экономичности. Увеличение надежности достигается за счет сведения к минимуму удельной нагрузки в месте контакта пластин и ротора в прорезях на участке расширения продуктов сгорания.
Поставленная задача решается тем, что роторно-поршневой двигатель состоит из корпуса с полостью, впускных и выпускных окон, наружного ротора с радиальными прорезями и с размещенными в них пластинами, образующими между стенками корпуса и наружного ротора рабочие камеры переменного объема. Рабочие камеры выполнены содержащими рабочее тело, сообщающимися с камерой сгорания и образующими в совокупности в зоне расширения рабочего тела проточную часть двигателя. В наружном роторе выполнены цилиндры с размещенными в них поршнями и с присоединенными к ним шатунами. В полости наружного ротора размещен внутренний ротор, ось которого параллельна и смещена относительно оси наружного ротора. Внутренняя поверхность корпуса в проточной части выполнена максимально приближенной к линии движения конечной точки каждой из пластин. Также объем последней по ходу расширения рабочего тела рабочей камеры выполнен со способностью обеспечения величины давления рабочего тела близкой к величине атмосферного давления. На каждом поршне, с обеих сторон в радиальном направлении, размещен наружный шток и внутренний шток, причем каждый наружный шток помещен в радиальную прорезь наружного ротора со способностью к перемещению в радиальном направлении и соединен свободным концом с пластиной. В наружном роторе на внешней стороне каждого цилиндра выполнена стенка, на которой размещены наружные направляющие элементы, с отверстием, выполненным в стенке и в наружных направляющих элементах с возможностью прохода наружного штока и со способностью к герметизации цилиндра. Также на внутренней стороне цилиндра размещена стенка со сквозными окнами по краям цилиндра в осевом направлении, причем в стенке выполнено отверстие со способностью прохода внутреннего штока. Кроме того, на стенке размещены внутренние направляющие элементы с зазором по отношению к стенкам цилиндра в осевом направлении, обеспечивающим соединение цилиндра с полостью наружного ротора, также в каждом внутреннем направляющем элементе выполнено отверстие с возможностью прохода внутреннего штока. К каждому поршню присоединены два шатуна, размещенные с зазором по отношению к стенкам цилиндра. Шатуны выполнены с возможностью свободного прохода в сквозных окнах стенки на внутренней стороне цилиндра и в зазоре между внутренними направляющими элементами и стенками цилиндров, кроме того, шатуны выполнены с возможностью свободного прохода внутреннего штока.
На Фиг. 1 изображен роторно-поршневой двигатель.
На Фиг. 2 изображено сечение А-А данного двигателя.
Роторно-поршневой двигатель на Фиг. 1 и 2 содержит корпус 1, в полости корпуса, размещен наружный ротор 2, в котором выполнены радиальные прорези 3. В полости 4 наружного ротора размещен внутренний ротор 5. Ось 6 внутреннего ротора выполнена параллельно и со смещением относительно оси 7 наружного ротора. Буквой В обозначено смещение между осями. В наружном роторе выполнены цилиндры 8, в которых размещены поршни 9 с возможностью перемещения в радиальном направлении. В полости корпуса размещены пластины 10, которые крепятся к наружному штоку 11. Наружные штоки крепятся к наружной поверхности каждого поршня и размещены в радиальных прорезях наружного ротора с возможностью перемещения в радиальном направлении. Пластины делят полость корпуса в окружном направлении на рабочие камеры 12. Каждая рабочая камера ограничена в окружном направлении пластинами, в радиальном направлении стенками наружного ротора и корпуса двигателя и в осевом направлении ограничена боковыми стенками корпуса. Объем последней по ходу расширения рабочего тела рабочей камеры выполнен со способностью обеспечения величины давления рабочего тела близкой к величине атмосферного давления. Перфорированные футляры, которые применены в прототипе, в данном двигателе не применяются. Совокупность рабочих камер в зоне расширения рабочего тела составляет проточную часть двигателя. Внутренняя поверхность корпуса в проточной части выполнена максимально приближенной к линии движения конечной точки каждой из пластин. В данном двигателе выполнено четыре рабочих камеры, которые расположены в полости корпуса отточки К до точки С, в направлении стрелки М. Предусмотрено в двигателе и другое количество рабочих камер. К внутренней поверхности каждого поршня крепятся в радиальном направлении внутренние штоки 13. На внешней стороне каждого цилиндра выполнена стенка, на которой размещены наружные направляющие элементы 14, с отверстием, выполненным в стенке и в наружных направляющих элементах с возможностью прохода наружного штока и со способностью к герметизации цилиндра. На внутренней стороне цилиндра размещена стенка со сквозными окнами по краям цилиндра в осевом направлении, причем в стенке выполнено отверстие со способностью прохода внутреннего штока. На стенке размещены внутренние направляющие элементы 15 с отверстием, выполненным со способностью прохода внутреннего штока. Внутренние направляющие элементы установлены с зазором по отношению к стенкам цилиндра. Наружные и внутренние направляющие элементы выполнены с возможностью обеспечения смазки. К каждому поршню присоединены по два шатуна 16, выполненные с возможностью свободного прохода в сквозных окнах стенки на внутренней стороне цилиндра и в зазоре между внутренними направляющими элементами и стенками цилиндров. Шатуны, также выполнены с возможностью свободного прохода внутреннего штока, и посредством шарнирных соединений 17 прикреплены к поршню. Другим своим концом шатуны с помощью шарнирных соединений 18 прикреплены к внутреннему ротору. Шарнирные соединения выполнены с возможностью обеспечения смазки. В корпусе выполнено впускное окно 19 и выпускное окно 20. К выпускному окну присоединен трубопровод сжатого воздуха 21, к которому присоединен ресивер 22. В выхлопном патрубке 23 размещен регенератор 24, входной конец которого соединен с ресивером, и выходной конец соединен с камерой сгорания 25. В наружном роторе выполнены полые пространства 26. При этом полые пространства выполнены с отсутствием контакта с выпускным окном в корпусе. Для предотвращения утечек из камеры сгорания служат уплотнения 27, в радиальных прорезях наружного ротора размещены уплотнения 28. Стрелка Т показывает направление движения рабочего тела из камеры сгорания данного двигателя. В каждом цилиндре выполнены окна 29 для подвода свежего воздуха, которые также служат для отвода сжатого воздуха. Наружный и внутренний ротор размещен в корпусе двигателя на подшипниках 30.
Роторно-поршневой двигатель работает следующим образом. В камере сгорания 25 осуществляется сгорание топлива, рабочее тело поступает по стрелке Т в рабочие камеры 12, размещенные в полости корпуса 1. Разность давлений в рабочих камерах вызывает вращение наружного ротора 2 по стрелке М. В результате вращения ротора происходит увеличение объема рабочих камер, и давление в рабочих камерах, снижается. Максимальное давление рабочего тела в точке К, которая размещена в первой по ходу расширения рабочей камере. В последней по ходу расширения рабочего тела рабочей камере, в точке С, давление близкое к атмосферному. Совокупность всех рабочих камер в зоне расширения рабочего тела составляет проточную часть двигателя. Внутренняя поверхность корпуса двигателя в проточной части выполнена максимально близкой к траектории движения конечной точки пластин 10, что позволяет снизить потери от утечек. Смещение В осевой линии 7 наружного ротора относительно осевой линии 6 внутреннего ротора 5 вынуждает каждую из пластин совместно с поршнем 9 совершать возвратно поступательное движение посредством шатунов 16 и шарнирных соединений 17 шатунов с поршнями, а также с помощью шарнирных соединений 18 шатунов с внутренним ротором. К каждому поршню присоединены два шатуна по обе стороны в окружном направлении, которые размещены с зазором по отношению к стенкам цилиндра 8. Шатуны выполнены с возможностью свободного прохода в сквозных окнах стенки на внутренней стороне цилиндра и в зазоре между внутренними направляющими элементами и стенками цилиндров, и с возможностью свободного прохода внутреннего штока. Усилие, вызывающее вращение наружного ротора, возникает в месте контакта наружного штока 11 с наружными направляющими элементами 14 и в месте контакта внутреннего штока 13 с внутренними направляющими элементами 15. Поскольку контакт происходит вдали от проточной части, температура в местах контакта сравнительно невысока, это позволяет обеспечить смазку и повышает надежность работы двигателя. Размещение наружного штока между пластинами и поршнями позволяет изготавливать пластину и шток из разного материала. При этом отверстие для наружного штока в наружных направляющих элементах выполнено с обеспечением герметичности цилиндров, и при вращении наружного ротора отточки К до точки С по стрелке М в цилиндрах происходит сжатие воздуха. Центробежная сила, возникающая при вращении роторов, направлена против силы, возникающей от давления воздуха на поршень, что способствует разгрузке шарнирных соединений шатуна в поршне и во внутреннем роторе. За точкой С шатуны вынуждают поршни и пластины двигаться по радиусу наружного ротора в обратном направлении, и между пластинами и корпусом возникает зазор, увеличивающийся по ходу вращения. При вращении наружного ротора происходит поступление свежего воздуха через впускное окно 19 в боковой стенке корпуса двигателя при совмещении данного окна с окном 29 в цилиндре. Сжатый воздух выходит через окно в цилиндре при совмещении с выпускным окном 20 в стенке корпуса. Через трубопровод сжатого воздуха 21, ресивер 22 и регенератор 24 сжатый воздух поступает в камеру сгорания данного двигателя. Полный цикл в данном двигателе осуществляется за один оборот, то есть за 360°, что эквивалентно удвоению числа цилиндров в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания. Процесс сгорания в камере сгорания при работе данного двигателя непрерывен, это упрощает систему зажигания и топливную систему, ресивер сглаживает пульсации сжатого воздуха. Регенератор, размещенный в выхлопном патрубке 23, использует тепло отработавших газов для нагрева сжатого воздуха перед поступлением в камеру сгорания и повышает экономичность данного двигателя. Уплотнения 27 предотвращают утечки в зоне размещения камеры сгорания. Уплотнения 28 расположены в радиальных прорезях 3 наружного ротора и предотвращают утечки из рабочих камер. Наружные и внутренние направляющие элементы способствуют радиальному перемещению поршней в цилиндрах и пластин в рабочих камерах при возвратно поступательном движении. Это упрощает конструкцию уплотнений пластин, расположенных в радиальных прорезях, в зоне проточной части. Имеется возможность применения лабиринтовых уплотнений. Также упрощается конструкция уплотнений между стенками поршней и цилиндров. (На чертежах данные уплотнения не показаны.) Полые пространства 26 в наружном роторе выполнены для уменьшения веса. Полые пространства выполнены с предотвращением контакта с выпускным окном в корпусе, для устранения обратного потока сжатого воздуха из ресивера.
В данном двигателе происходит расширение рабочего тела практически до величины атмосферного давления, это означает, что данный двигатель работает по циклу Брайтона с регенерацией, то есть по тому циклу, по которому работают газотурбинные установки (ГТУ). Причем данный двигатель имеет ряд преимуществ перед ГТУ. Например, в двигателе нет необходимости соблюдать определенное соотношение между скоростью потока в осевом направлении и окружной скоростью ротора, в данном двигателе вместо большого количества сложных по форме и дорогих рабочих и направляющих лопаток применено всего несколько пластин, причем каждая пластина заменяет ступень в ГТУ. Кроме того, при работе двигателя не может возникнуть помпаж на нерасчетных режимах, также при работе двигателя происходит естественным образом охлаждение пластин и ротора, что упрощает систему охлаждения.