Роторно-поршневая машина
ROTARY PISTON MACHINE

Область применения
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к роторно-поршневым двигателям внешнего или внутреннего сгорания, компрессорам, гидромоторам и насосам, применимым в стационарных установках и на транспортных средствах.
Предшествующий уровень техники
Известна роторно-поршневая машина по патенту РФ №2319848, кл. F02G 1/00, опубл. 20.03.2006, в которой полый профилированный ротор постоянного диаметра (постоянной высоты) с внутренним зубчатым венцом и канавками для колес-роликов, связан посредством зубчатой передачи с шестернями двух рабочих валов и движется внутри корпуса, имеющего торцевые стенки, компрессионные пластины, газораспределительные каналы и др.
Профиль ротора имеет постоянный диаметр, т.е. длина набольшей хорды является неизменной при любом его положении, т.е. постоянной как у окружности. Простейший пример такого профиля ротора получается, когда внешняя и внутренняя огибающие ротора имеют профиль, который образован из трех пар противолежащих друг другу больших и малых сегментов (по 60°) окружностей с центрами в вершинах равностороннего треугольника, изображенного пунктирными прямыми на фиг. 1. Имеются также и другие формы профилей роторов постоянного диаметра с более плавными изменениями центров вращения ротора, например, эвольвентные трехгранные, пятигранные и др.
Недостатком известной машины является то, что при высоких оборотах ротора с постоянным изменением его центра вращения возникают значительные динамические нагрузки на ротор и рабочие валы, приводящие к их деформации и выходу из строя.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой изобретения является устранение отмеченного недостатка. Техническим результатом является возможность увеличения числа оборотов рабочих валов машины путем уменьшения массы ротора за счет его изготовления тонкостенным из легковесных металлических сплавов или пластиков и усиления конструкции ротора с помощью внутреннего оребрения в виде нескольких ободов-дисков постоянного диаметра, удерживающих ротор на колесах-роликах, установленных на рабочих валах параллельно шестерням и обеспечивающими его свободное движение (вращение) в корпусе устройства, как на подшипниках качения.
Проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что в роторно-поршневой машине, содержащей ротор в виде полого профилированного корпуса с зубчатым венцом на его внутренней поверхности для передачи крутящего момента на шестерни двух рабочих валов, причем длина отрезка между точками пересечения прямой, проходящей через центры валов с огибающей профиля ротора, неизменна при его повороте, а внутренняя поверхность ротора имеет профиль, соответствующий его наружной огибающей, корпус ротора выполнен тонкостенным из легковесного материала и усилен внутренним оребрением в виде нескольких опорных ободов-дисков с возможностью их свободного качения по канавкам колес-роликов, установленных на рабочих валах параллельно шестерням. Обода-диски могут иметь такой профиль, что длина отрезка между точками пересечения прямой, проходящей через центры валов с внешней огибающей профиля ободов-дисков, неизменна при их повороте, а внутренняя огибающая ободов-дисков имеет профиль, соответствующий их наружной огибающей. В предлагаемой машине тонкостенный ротор имеет наименьшую массу и движется не по канавкам ротора, а катится как на шарикоподшипниках на опорных ободах-дисках по колесам-роликам, которые установлены параллельно шестерням рабочих валов, что обеспечивает меньшие динамические нагрузки из-за значительного снижения массы ротора путем исключения из его конструкции внутренних канавок.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан профиль образующих ротора и ободов-дисков.
На фиг. 2 - поперечный разрез тонкостенного ротора.
На фиг. 3 - продольный разрез тонкостенного ротора.
На фиг. 4 - продольный разрез устройства двигателя.
На фиг. 5 - поперечный разрез устройства двигателя.
На фиг. 6-9 - диаграммы положения ротора в динамике.
Лучший вариант осуществления изобретения
Тонкостенный полый ротор 6, корпус которого изготовлен, например, сваркой листа металла, пластика или формовкой тонкостенной трубы, соответствующей длины, и усилен несколькими дисками-ободами 8 постоянного диаметра, движется на двух рабочих валах 10 корпуса 1 двигателя, в пазах которого установлены две компрессионные пластины 2 с возможностью их замены без демонтажа торцевых стенок 4. (фиг. 4 и 5). В корпусе двигателя 1 с каналами 3 впуска и выпуска рабочей среды на колесах-роликах 5 движется ротор 6, имеющий зубчатый венец 7 и обода-диски 8, установленные на внутренней поверхности корпуса ротора 6. Зубчатый венец 7 ротора имеет зацепление с двумя шестернями 9, установленными на валах 10 с маховиками 11. При изменении положения ротора внутри корпуса двигателя изменяются объемы правой полости 12 и левой полости 13.
Рассмотрим пример использования изобретения в двигателе внутреннего сгорания с воспламенением топлива от сжатого воздуха.
Пусть ротор 6 находится в крайнем правом положении (фиг. 6), впускной клапан правой полости 12 открыт, выпускной - закрыт; впускной клапан левой полости 13 закрыт, выпускной - открыт (механизм управления клапанами на фигурах не показан). Вращаясь по часовой стрелке, валы с маховиками перемещают ротор 6 влево (фиг. 7) и тем самым осуществляется всасывание воздуха в правую полость 12 и выпуск газов из левой полости 13 двигателя. Когда ротор 6 достигает крайнего левого положения (фиг. 8), впускной клапан правой полости 12 закрывается, выпускной клапан остается закрытым, а в левой полости 13 открывается впускной клапан и закрывается выпускной. Далее в процессе движения ротора 6 вправо за счет инерции вращения маховиков в правой полости 12 происходит сжатие воздуха до температуры, достаточной для воспламенения топлива (солярки или сжиженного газа), а в левой 13 - такт впуска очередной порции воздуха (фиг. 9). После этого в крайнем правом положении ротора 6 (фиг. 6) в левой полости 13 закрывается впускной клапан, а в правую полость 12 производится впрыск топлива через соответствующие форсунки (на фигурах не показаны). Далее в правой полости 12 происходит такт рабочего хода с передачей энергии на оба вала за счет сгорания топлива и расширения образующихся газов, а в левой 13 - такт сжатия воздуха (фиг. 7). Когда ротор 6 достигает крайнего левого положения (фиг. 8), в левую полость 13 производится впрыск топлива, а в правой 12 открывается выпускной клапан. Далее в левой полости 13 происходит рабочий такт с возможностью отбора мощности на обоих валах, а в правой 12 - выпуск отработавших газов (фиг. 9). В крайнем правом положении ротора 6 описанный цикл с двумя рабочими тактами повторяется (фиг. 6). Для обеспечения плавности и непрерывности процессов в левой 13 и правой 12 полостях двигателя и плавности движения ротора 6 оба маховика на валах должны иметь соответствующую массу.
Кроме описанного выше применения тонкостенных роторов возможна реализация многороторных конструкций на общих валах для обеспечения постоянства величины крутящего момента.
Промышленная применимость
Таким образом, предлагаемая роторно-поршневая машина позволяет уменьшить массу вращающихся деталей и узлов, уменьшить динамические нагрузки на рабочие валы и шестерни механизма, а также увеличить механический КПД за счет уменьшения трения и повысить долговечность роторных двигателей внешнего и внутреннего сгорания, насосов, компрессоров и гидромоторов.