РОТОРНАЯ МАШИНА
ROTARY MACHINE

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Известны многие различные типы роторно-поршневых двигателей и компрессоров. Уже давно задавались целью заменить компрессоры и двигатели возвратно-поступательного действия роторными машинами, хотя конечно, что касается двигателей, очень немногие стали успешными и широко-используемыми на сегодняшний день.
В области роторно-поршневых двигателей конструкцией, которую в наибольшей степени разработали и применяют, является хорошо известный двигатель Ванкеля. Однако он страдает от ряда проблем, одна из которых касается проблем износа внутренних роторных уплотнений, а другая заключается в том, что это не настоящая роторная машина, в ней все еще есть эксцентрически движущиеся части, что требует наличия двух противовесных сбалансированных роторов или применения вращающихся противовесов. Более того, местоположение уплотнителей вершины ротора на внутреннем роторе означает, что они не могут быть заменены без разборки всего двигателя.
Возможно применять модель Ванкеля и вращать как внутренний ротор, так и внешнюю оболочку по оси, при этом не имея эксцентричных компонентов, как в самой первой версии, двигателе DKM. Хотя благодаря этой модели точки уплотнения находятся на внутреннем роторе, что означает, что поверхность скольжения, содержащая впускные и выпускные отверстия, должна быть в корпусе или в оболочке. Это значит, что отверстия и каналы, которые точки уплотнения проходят, чтобы управлять перемещением текучей среды, должны быть размещены в корпусе. Сложно расположить уплотнения, необходимые для получения газов из каналов на корпусе, вращающемся снаружи двигателя.
Были показаны различные модели роторно-поршневых двигателей и компрессоров, которые имеют два ротора, вращающихся на смещенных параллельных осях. Примеры таких моделей описаны в документах GB764719, DE2916858, FR1124310 и DE3209807. Если взять первый документ GB764719, эта модель показывает каналы для перемещения текучей среды в и из рабочих камер в виде каналов, расположенных внутри вала машины. Однако каналы проходят от рабочих камер через ротор, а затем в по существу неподвижный вал, который требует уплотнения между этими двумя компонентами. В такой конструкции сдерживание текучей среды к или из рабочих камер происходит за счет ротора, вращающегося вокруг этого вала, что означает, что этой машине необходимы уплотнения как для создания рабочих камер (пространства между внутренним и наружным роторами), так и для уплотнения, чтобы сдерживать поток текучей среды к/из рабочих камер. В дополнение, отверстия и каналы во внутреннем роторе являются двунаправленными, что может замедлить прохождение текучей среды, и они также постоянно соединены с рабочими камерами, увеличивая таким образом объем камеры и уменьшая возможную степень сжатия машины. Другие документы, упомянутые здесь, DE2916858, FR1124310 и DE3209807, — все являются похожими, что касается перемещения текучей среды в рабочие камеры.
Cooley предложил двигатель (US 724994), очень похожий на настоящее заявляемое изобретение, использующий два вращающихся на оси ротора. В его модели впускная и выпускная магистрали осуществлялись посредством скользящих уплотнений между корпусом и оболочкой, что сделало бы эту модель проблематичной и склонной к утечке.
Много других моделей роторно-поршневого двигателя описывают способы прохождение газов в и из рабочих камер, однако большинство имеют относительно сложноорганизованные каналы, содержащие несколько движущихся частей, которые приводят к проблемам с уплотнением и передачей тепла от горячих отходящих газов.
Цель настоящего изобретения — справиться с некоторыми проблемами, от которых, как уже известно, страдают роторные машины, а именно: сложность прохождения газов или рабочих текучих сред снаружи машины в рабочие камеры и из них наружу машины, проблемы балансировки и механические проблемы эксцентрических компонентов и компонентов, совершающих возвратно-поступательное движение, замены уплотнения, изоляции горячих газов от составляющих частей и другие общие привычные сложности этих моделей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предусматривает роторную машину, разработанную для использования в качестве двигателя или компрессора. В частности, оно относится к машине, где точки скользящего уплотнения размещены во внешней оболочке или в корпусе, и поверхность, по которой скользят точки уплотнения, образует часть центрального ротора, вследствие чего текучая среда перемещается через одно или несколько отверстий на внутреннем роторе. Таким образом, перемещение текучей среды в или из рабочих камер, размещенных между ротором и корпусом, осуществляется с помощью этих точек уплотнения, движущихся поперек отверстий, и по меньшей мере одно из этих отверстий соединено с каналом в роторе и вале ротора, при этом канал выполнен непрерывным и цельно с отверстием и проходит наружу машины. Таким образом, канал является однонаправленным, что означает то, что текучая среда всегда перемещается через канал или в рабочие камеры, или из рабочих камер, в зависимости от направления вращения машины.
Основным преимуществом этой конструкции является то, что текучая среда может перемещаться между отверстием и пространством снаружи машины через простой канал в роторе и вале, без усложнения дополнительными мерами по управлению, уплотнениями или дополнительными движущимися частями. Это позволяет как ротору, так и корпусу вращаться вокруг оси, создавая, таким образом, настоящую роторную машину. В случаях, когда эту машину используют с горячими газами, к примеру, в качестве двигателя внутреннего сгорания, характер простого вращения роторного вала, и канала, который он окружает, вокруг неподвижной оси, означает, что уплотнение к последующей трубе или каналу легко достигнуть с помощью концентрического вращательного уплотнения и также легко изолировать канал от передачи тепла в компоненты двигателя.
Другое преимущество заключается в том, что точки уплотнения могут быть доступными снаружи машины, позволяя легко их заменять и делая возможным использовать более дешевые или быстрее изнашивающиеся материалы.
Можно увидеть, что существует несколько преимуществ в обеспечении средств по управлению текучей средой, непосредственно смежных с отверстием и каналом, включая то, что канал является однонаправленным, и поэтому поток текучей среды может быть непрерывным в одном направлении, вместо того, чтобы менять направление вперед и назад, и что объем канала не становится частью рабочей камеры, что уменьшило бы максимальное сжатие машины.
Таким образом, согласно настоящему изобретению предлагается роторная машина, содержащая:
внутренний ротор и внешний корпус,
при этом ротор вращается вокруг первой оси, а корпус вращается вокруг второй оси, параллельной и смещенной от первой оси,
внешнюю опорную конструкцию, которая удерживает первую и вторую оси выровненными относительно друг друга, и при этом упомянутые оси по существу неподвижны по отношению к опорной конструкции,
корпус, имеющий две или более точки уплотнения на своей внутренней поверхности, которые взаимодействуют с наружной поверхностью ротора для образования двух или более рабочих камер между ротором и корпусом,
упомянутую наружную поверхность, содержащую отверстие для перемещения текучей среды,
вал, прикрепленный к ротору и соосный с первой осью вращения,
вал, содержащий канал, по существу параллельный первой оси вращения, при этом данный канал соединен с последующим каналом в роторе и указанный последующий канал соединен с указанным отверстием,
при этом указанный канал и последующий канал вместе образуют непрерывный проход для текучей среды от отверстия к точке, где вал взаимодействует с опорной конструкцией,
причем проход постоянно открыт и по существу свободный, и вращается вокруг оси, которая по существу неподвижна относительно опорной конструкции,
благодаря чему, в работе вращение ротора относительно корпуса приводит к изменению размера рабочих камер, и на основании чего относительное движение точек уплотнения поперек отверстия управляет перемещением текучей среды между отверстием и рабочими камерами, и при этом для заданного направления вращения ротора текучая среда перемещается однонаправлено через проход между рабочими камерами и точкой, где вал взаимодействует с опорной конструкцией.
Ротор преимущественно имеет наружную поверхность, по существу параллельную оси вращения ротора, и корпус преимущественно имеет внутреннюю поверхность, по существу параллельную оси вращения корпуса.
Наружная поверхность внутреннего ротора по существу имеет форму эпитрохоида с одним или несколькими кулачками, хотя можно использовать и другие подходящие формы для наружной поверхности ротора, обеспечивая, безусловно, то, чтобы в работе точки уплотнения корпуса поддерживали контакт или находились очень близко к поверхности ротора. Преимущественно, чтобы внутренняя поверхность корпуса также имела по существу форму эпитрохоида.
Вал ротора может быть прикреплен к одной стороне ротора или он может проходить прямо через ротор от одной стороны к другой. При другой конструкции могут быть использованы два вала, по одному на каждой стороне ротора.
Ротор и корпус преимущественно устанавливают в каркасе, опорной конструкции или оболочке для расположения осей корпуса и ротора в точности по отношению друг к другу.
Поверхность ротора может, как правило, иметь два кулачка и корпус имеет три точки уплотнения, но возможны другие конфигурации, к примеру, ротор с тремя кулачками и корпус с четырьмя точками уплотнения. Возможны многие другие комбинации, как правило, используя ротор, у которого на один кулачок меньше, чем точек уплотнения на корпусе.
Ротор может содержать второе отверстие, второй канал и второй последующий канал, где второй канал преимущественно размещен на противоположном конце вала относительно первого канала, благодаря чему в работе текучая среда поступает в машину на первом конце вала ротора и выходит на другом.
Кроме того, ротор может иметь второе отверстие для перемещения текучей среды, которое соединяется с пустым пространством внутри ротора, которое далее соединяется с пространством снаружи машины через канал внутри корпуса, благодаря чему в работе текучая среда поступает в машину через вал корпуса и выходит через вал ротора или текучая среда поступает через вал ротора и выходит через вал корпуса.
Канал в вале ротора может соединяться с неподвижным каналом, трубопроводом или коллектором, прикрепленным к наружной части машины через вращательное уплотнение.
Канал или последующий канал, образующие проход, могут быть выполнены цельными, то есть в виде одного элемента и не содержащими отдельно движущиеся части.
Корпус преимущественно содержит шестерню с внутренним зацеплением, которая находится в зацеплении с шестерней с наружным зацеплением, прикрепленной к ротору таким образом, чтобы поддерживать движение этих двух частей в правильном отношении друг с другом, и таким образом, сводя к минимуму внутренний износ точек и поверхностей уплотнения.
Точки уплотнения могут содержать подвижные полосы, которые в целях удобства могут быть доступными снаружи корпуса, позволяя их легко заменять.
Что касается модели, использующей двухкулачковый ротор, в ней преимущественно предусматривают одно впускное отверстие и одно выпускное отверстие в соответствующих местоположениях на роторе с целью позволить машине работать в качестве четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, или, как вариант, похожая двухкулачковая модель может быть использована в качестве насоса или компрессора, с помощью обеспечения двух впускных отверстий и двух выпускных отверстий в соответствующих местоположениях на роторе.
Когда машину используют в качестве двигателя, вокруг окружности корпуса могут быть предусмотрены свечи зажигания. В ней могут быть предусмотрены средства для добавления топлива и для управления воздушным потоком в двигатель, например система впрыска или карбюратор, который может условно быть прикреплен к каркасу, удерживающему ротор и корпус, а выпускное отверстие для перемещения текучей среды и каналы могут быть соединены с системой выпуска.
При работе в качестве двигателя, отходящие газы преимущественно выходят из машины через проход в вале ротора. Внутренняя поверхность прохода может быть снабжена термоизоляцией для защиты от чрезмерного нагревания ротора и/или вала горячими отходящими газами. Цельный вид прохода облегчает обеспечение этой изоляции.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На фиг. 1 изображено поперечное сечение компонентов двигателя перпендикулярно осям вращения.
На фиг. 2 изображены компоненты двигателя как на фиг. 1, после поворота ротора против часовой стрелки на 90 градусов.
На фиг. 3 показано поперечное сечение двигателя на фиг. 2 на одной линии с осями вращения.
На фиг. 4 изображена модификация точек уплотнения.
На фиг. 5 показан компрессор с четырьмя отверстиями.
На фиг. 6 показан двигатель, состоящий из ротора с четырьмя кулачками и корпуса с пятью точками уплотнения.
На фиг. 7 показана модификация вала ротора.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение будет описано исключительно с помощью примера со ссылкой на прилагаемые графические материалы.
Как показано на фиг. 1, на ней отображаются основные движущиеся компоненты 19 четырехтактного двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению, для удобства просмотра показано без конструкции, которая удерживает эти компоненты на месте. В этом двигателе внутренний ротор 1 вращается вокруг оси 2 внутри наружного корпуса 3, который вращается вокруг оси 4, смещенной от оси 2, направление вращения показано стрелками 2r и 3r. Ротор в этом варианте осуществления содержит два кулачка 40, и корпус содержит три точки 5 уплотнения. Точки уплотнения содержат подвижные уплотнительные полосы 6 c пружинными устройствами 7 и удерживающими пластинами 8. Корпус 3 и ротор 1 вращаются в одинаковом направлении с разными скоростями в отношении 2:3 соответственно. Благодаря эпитрохоидальной форме поверхности ротора и относительным скоростям ротора и корпуса, точки уплотнения поддерживают скользящее газонепроницаемое уплотнение с поверхностью ротора. Вал 9 ротора имеет цилиндрическую форму и заключает канал 10 в центре.
Ближайший к наблюдателю канал в вале ротора проходит в более отдаленный канал 11 через ротор, прерывающийся на отверстии 12 (впускное отверстие) в наружной поверхности ротора, этот канал, более удаленный канал и отверстие образуют проход 17. Канал в вале, который является самым удаленным от наблюдателя (не показан), проходит в канал 13 через ротор и прерывается на отверстии 14 (выпускное отверстие). Этот второй канал, второй более отдаленный канал и второе отверстие образуют второй проход 18.
Три рабочие камеры A, B, C сформированы за счет взаимодействия точек уплотнения в корпусе и поверхности ротора. Те, кто является специалистами в данной области техники, поймут, что в работе вращение ротора и корпуса приводит к изменению размера рабочих камер, что во взаимосвязи с положением впускного и выпускного отверстий приведет к тому, что газ втягивается, сжимается, сгорает, расширяется и затем выталкивается как в традиционном четырехтактном двигателе. На этой схеме камера A между ротором и корпусом находится в процессе выталкивания газа через выпускное отверстие 14, направление потока показано стрелкой и камера B всасывает газ через впускное отверстие 12, газовый поток снова показан стрелкой. Камера C находится в состоянии полного сжатия для зажигания. Наружный корпус может состоять из одной или нескольких полостей 15 сгорания для удерживания объема сжатого газа. Свечи 16 зажигания воспламеняют сжатые газы в момент максимального сжатия.
На фиг. 2 изображен ротор и корпус как на фиг. 1 после того, как ротор выполнил поворот на 90 градусов против часовой стрелки, с соответствующим поворотом корпуса на 60 градусов. Камера A уменьшилась в объеме, B достигла максимального объема и C только начинает расширяться. Таким образом, можно понять, что вращение приводит к газовому потоку, сходному с циклом четырехтактного двигателя.
Обратите внимание на местоположение двух шестерней на корпусе 50 и роторе 51. Эти шестерни обеспечивают движение ротора в правильном отношении к корпусу, предотвращая контакт между поверхностью ротора и поверхностью корпуса (за исключением точек уплотнения) и уменьшая воздействие и износ корпуса, точек уплотнения и поверхности ротора.
На фиг. 3 показано поперечное сечение на одной линии с осями вращения двигателя 37 с тем же относительным положением ротора и корпуса, как на фиг. 2, и включая дополнительные компоненты, не отображенные на фиг. 2. Опорная конструкция 20 размещает ротор 21 и корпус 22 в положение с помощью подшипников 23. Ротор оборудован боковыми уплотнениями вокруг его периферии 24, которые обеспечивают уплотнение изнутри корпуса (точки уплотнения корпуса не показаны на данной схеме). Отверстие в роторе 28 соединено с каналом 27 в роторе, который проходит в канал 26 в вале 25 и который параллелен и соосен с осью 43 вращения вала и ротора. Канал 26 проходит к точке 41, где вал взаимодействует с опорной конструкцией через подшипник 23, эта конструкция каналов, содержащая проход e-f для перемещения текучей среды между рабочей камерой A и точкой 41. Можно увидеть, что проход цельный, в том смысле, что он ограничен частями, соединенными вместе, и не выполнен из частей, движущихся по отношению друг к другу. Вал 25 и продолжение канала 26 в нем проходят за точкой 41 до того места, где вал прерывается на точке 42. Вращательное уплотнение 35 уплотняет вал относительно опорной конструкции, позволяя каналу проходить далее к неподвижному каналу 44, прикрепленному к опорной конструкции. Можно увидеть, что в точках за 41 в направлении 42 вал с встроенным в него каналом вращается вокруг неподвижной оси 43 по отношению к опорной конструкции и примыкает к ней, что означает, что из точки 41, далее в сторону от ротора может быть легко обеспечено перемещение газов к двигателю или из него.
Второе отверстие 29 соединено с каналом 30 в роторе и каналом 31 в вале 36, данная конструкция содержит второй проход для перемещения текучей среды между камерой B и точкой 45, где вал 36 взаимодействует с опорной конструкцией, в этом случае за счет близкого расположения к ней. Вал проходит за точку 45 и канал уплотняется относительно опорной конструкции с помощью уплотнителя 34.
В вал 36 для его защиты от горячих отходящих газов устанавливают термоизоляцию 38. Дополнительную изоляцию 39 устанавливают в канале 30 в роторе. Можно увидеть, что, так как каналы, образующие проход g-h, цельные и двигаются вместе, это облегчает установку этой изоляции вокруг прохода.
Высоковольтный электрический ток подают на электрод 32, который находится очень близко к свече 33 зажигания в момент, когда двигатель находится в состоянии максимального сжатия, вызывая при этом сгорание.
На фиг. 4 изображено изменение точек уплотнения варианта осуществления на фиг. 1, где точки 60 уплотнения являются смежными с корпусом 61 и достигают газонепроницаемого уплотнения, находясь очень близко к ротору 62.
На фиг. 5 отображен компрессор, который содержит два впускных отверстия 70 и два выпускных отверстия 71. В нем используется тот же принцип изменения размера камер, как в двигателе на фиг. 1, но пропускается цикл сгорания/расширения и вместо этого выполняется два цикла сжатия для каждого поворота ротора на 360 градусов.
На фиг. 6 показан двигатель 100, содержащий корпус 101 с пятью точками 102 уплотнения и ротор 103 с четырьмя кулачками 104. В этой конфигурации необходимо иметь две пары отверстий 110, 111. Можно увидеть, что эта конструкция создает хорошо сбалансированный ротор как с механической точки зрения, так и в отношении термального расширения из-за симметричной конструкции ротора.
На фиг. 7 отображена модификация к двигателю, показанному на фиг. 3. Вал 80 ротора проходит наружу двигателя. Отходящие газы выталкиваются через этот вал, который содержит изоляцию 82 для защиты компонентов двигателя от тепла газов. Глушитель 81 устанавливают на валу и можно увидеть, что он вращается с валом.
На фиг. 8 показана модификация к двигателю, показанному на фиг. 3. Ротор 90 содержит отверстие 91, которое открывается в пустое пространство 92. Проход для текучей среды проходит от отверстия через пустое пространство и через ряд отверстий 93 в вал корпуса 94, который является соосным с осью вращения корпуса, до точки, где вал корпуса взаимодействует с опорной конструкцией 127. Проход далее проходит через канал 95 в опорной конструкции 96 и уплотняется с помощью уплотнений 97 и 126. Вал 98, поддерживающий ротор, может быть выполнен сплошным в этом варианте осуществления изобретения или может содержать канал как в предыдущих вариантах осуществления. На другой стороне ротора 90 второе отверстие 120 соединяется с каналом 121 в роторе с термоизоляцией 124, который далее проходит к каналу во втором вале 99 ротора также с термоизоляцией 125. Это формирует непрерывный проход m-n от отверстия 120 к точке 122, где вал взаимодействует с опорной конструкцией, и далее проходит к выпускному каналу 123. Преимущества такого расположения прохода m-n, особенно при использовании для стороны горячих отходящих газов двигателя, представлены выше. Впускной проход не является непрерывным и цельным, и поэтому необходимо больше уплотнений для эффективного функционирования, и в дополнение является более сложным для изоляции, однако его преимущество заключается в большем поперечном сечении, чем в проходе m-n, и поэтому газы перемещаются более эффективно. Этот проход p-q используют здесь, чтобы впустить холодные входящие газы в двигатель.
На фиг. 9 изображена модификация к двигателю, показанному на фиг. 3. Двигатель 130 содержит корпус 131, который содержит ряд ребер 132, сформированных на его наружной поверхности. Они работают в качестве вентилятора, когда корпус вращается, втягивая воздух через вентиляционные каналы 133 в опорном элементе, и выдувая воздух через вентиляционные каналы 134. Посредством прохождения воздуха через корпус он охлаждается за счет увеличившейся площади поверхности, которую обеспечивают ребра. Можно увидеть, что это является преимуществом вращения корпуса двигателя, так как исключает потребность в системе наружного охлаждения. Также показана модификация к модели, при помощи которой воздух, выходящий через вентиляционные каналы 134, проходит через канал 135-136 и в воздухозаборный проход двигателя 137. Те, кто является специалистами в данной области техники, поймут, что это увеличит давление всасываемого воздуха и таким образом придаст двигателю более высокую выходную мощность.
На фиг. 10 показан вид корпуса 131 с фиг. 9, рассматриваемый по оси вращения, а также показано расположение изогнутых радиальных ребер 141. Могут быть обеспечены дополнительные ребра, сформированные в опорной конструкции (не отображена здесь), которые могут взаимодействовать с ребрами корпуса 141 для обеспечения дополнительного сжатия воздуха.