РОТОРНАЯ МАШИНА
ROTOR MACHINE

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в качестве расширительной машины привода нагнетателя или составной части двигателя внутреннего сгорания.
Известна роторная машина, включающая корпус, стенки которого образованы двумя пересекающимися цилиндрическими поверхностями и во внутренней полости которого размещены два ротора, установленные с зазором относительно стенок корпуса и каждый из которых снабжен выступающим профилированным элементом для образования во внутренней полости корпуса зоны расширения и зоны сжатия рабочего тела, канал для входа и канал для выхода рабочего тела (Патент US №3472445 А, F01C 1/12, 14.10.1969). Каждый ротор имеет втулку с радиально выступающим зубом. Профили ротора и канал для выхода рабочего тела выполнены таким образом, что при использовании устройства в качестве компрессора зазор может быть нулевым или близким к нулю, так что практически весь газ в камере сжатия подается к выходному каналу. Данное изобретение относится к роторным машинам объемного типа и может применяться в качестве компрессора, вакуумного насоса или расширителя.
Недостатками известной конструкции является то, что она не может быть адаптирована для повышения давления рабочего тела с подводом тепла и одновременно быть использованной в качестве расширителя. А также в устройстве не предусмотрено использование внутренних объемов роторов для размещения рабочего тела, что увеличивает габаритно-массовые характеристики, уменьшает мощность и расходные характеристики устройства в целом.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является роторная машина объемного типа, включающая корпус с каналом подвода и каналом отвода рабочего тела, центральное тело, установленное во внутренней полости корпуса с зазором относительно стенки корпуса и образованием кольцевого рабочего канала, а также перекрывающие рабочий канал профилированные элементы и колеса-разделители (Патент РФ №2135778, F01C 1/08, опубл. 27.08.1999 г.).
В известной машине корпус выполнен трехсекционным. Центральное тело является первым ротором машины, который размещен в средней секции и оснащен двумя профилированными элементами, выполненными в виде лопастей и перекрывающими рабочий канал, а также снабжен ограничивающими рабочий канал боковыми стенками, по крайней мере, в одной из которых на участках, прилегающих к напорным поверхностям лопастей, выполнены окна, при этом в торцевых стенках рабочей камеры выполнены ответные проемы, к которым подключены патрубки высокого давления. Второй ротор в данном устройстве исполняет роль колеса-разделителя и установлен в одной из крайних секций корпуса с перекрытием рабочего канала по линии соприкосновения цилиндрических поверхностей роторов. В оставшейся секции размещено еще одно колесо-разделитель, выполненное аналогично второму ротору и также установленное с перекрытием рабочего канала.
Недостатками данной конструкции является то, что подвод/отвод рабочего тела высокого давления осуществляется только через окна, выполненные в боковых стенках центрального тела, и ответные проемы в торцевых стенках рабочей камеры, имеющие ограниченный размер, что приводит к более высоким гидравлическим потерям и увеличению времени при заполнении (выталкивании) газообразного' рабочего тела при прочих равных условиях. При этом наличие на центральном теле ограничивающих боковых стенок приводит к значительному увеличению площадей взаимодействующих поверхностей подвижных и неподвижных элементов конструкции, а это, в свою очередь, приводит к увеличению перетекания рабочего тела из объемов с более высоким давлением в объемы с более низким давлением и увеличению потерь на трение указанных поверхностей, что снижает эффективность работы устройства и технологичность его конструкции. Кроме того, в известном устройстве не используется внутренний объем роторов, что увеличивает его массогабаритные характеристики.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности работы роторной машины, а также упрощение конструкции устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в роторной машине объемного типа, включающей корпус с каналом подвода и каналом отвода рабочего тела, центральное тело, установленное во внутренней полости корпуса с зазором относительно стенки корпуса и с образованием кольцевого рабочего канала, а также перекрывающие рабочий канал профилированный элемент и колесо-разделитель, последнее установлено во внутренней полости корпуса между стенкой корпуса и центральным телом с возможностью вращения вокруг своей оси и выполнено с выемкой, поверхность которой технологически сопряжена с ответной поверхностью профилированного элемента, выполненного за одно целое с корпусом в виде выступа на его внутренней стенке, при этом центральное тело выполнено полым, а его внутренняя полость сообщается с кольцевым рабочим каналом, каналом подвода рабочего тела и содержит поворотный клапан для регулирования подачи рабочего тела к кольцевому рабочему каналу, причем корпус и/или центральное тело выполнены с возможностью вращения вокруг своей оси, а корпус кинематически связан с колесом-разделителем, ось вращения которого установлена в одной плоскости с осью вращения центрального тела.
При этом центральное тело или корпус могут являться ротором машины. В последнем случае центральное тело и колесо-разделитель являются составными частями статора роторной машины.
Профилированный элемент может иметь форму в виде лопасти.
Внутренняя полость корпуса, центральное тело и колесо-разделитель в продольном сечении могут иметь цилиндрическую, конусообразную или другую форму.
Колесо-разделитель может быть выполнено с диаметром, большим высоты кольцевого рабочего канала, при этом часть поверхности центрального тела будет иметь форму, ответную поверхности колеса-разделителя.
Колесо-разделитель может быть выполнено полым, а его внутренняя полость периодически в процессе вращения сообщается с каналом подвода рабочего тела и кольцевым рабочим каналом.
Заявленное конструктивное выполнение элементов роторной машины и указанная связь между ними позволяют:
- увеличить рабочий объем устройства за счет более рационального использования внутренних полостей его элементов конструкции;
- увеличить расход рабочего тела за счет большей пропускной способности (площади) впускных продольных каналов в центральном теле и колесе-разделителе;
- снизить гидравлические потери при впуске рабочего тела за счет большей пропускной способности (площади) впускных продольных каналов;
- уменьшить габаритные размеры роторной машины в целом за счет отсутствия вспомогательных камер за пределами корпуса;
- улучшить массогабаритные характеристики роторной машины за счет конструктивных особенностей, обеспечивающих интегральное использование составных частей изобретения в качестве элементов конструкции приводимых машин и механизмов.
Таким образом, устройство при более низких массогабаритных характеристиках обеспечивает более высокие удельные мощностные и расходные характеристики, что позволяет повысить эффективность работы роторной машины, а также в результате простоты конструкции улучшить эксплуатационно-технические характеристики всего устройства в целом.
Заявленное изобретение относится к роторным машинам объемного типа. Как известно, роторные машины объемного типа обладают свойствами обратимости и могут применяться как в качестве нагнетателей, так и в качестве расширителей для изменения давления и перемещения рабочего тела (газообразного, жидкого или газожидкого). При соединении (сообщении) полостей сжатия и расширения предлагаемой роторной машины и подводе к рабочему телу тепла после его сжатия данное устройство может представлять собой двигатель внутреннего сгорания.
Профили внутренней полости корпуса с выступающим элементом (например, лопастью), центрального тела и колеса-разделителя выполнены таким образом, что зазоры между сопрягаемыми поверхностями могут быть нулевыми или близкими к нулю, что практически исключает возможность перетекания рабочего тела из объемов с более высоким давлением в объемы с более низким давлением и обеспечиваются приемлемые потери на трение указанных поверхностей.
Кроме того, конструкция составных частей устройства приспособлена к использованию известных способов обеспечения герметичности подвижных соединений.
В зависимости от назначения роторной машины корпус и центральное тело могут входить в конструкцию составных частей ротора и корпуса приводимых машин и механизмов, а также двигателей внутреннего сгорания. Корпус, как составная часть ротора приводимых машин и механизмов, в продольном сечении с его внутренней стенкой и наружная поверхность центрального тела с колесом-разделителем могут иметь форму (профили) различных тел вращения (цилиндрическую, конусообразную или другого более сложного профиля). В поперечном сечении указанные поверхности имеют форму окружностей.
Кольцевой рабочий канал поделен колесом-разделителем и профилированным элементом на зону расширения и зону выхлопа рабочего тела.
Профилированный выступающий элемент может иметь различное конструктивное выполнение: например, может иметь форму в виде лопасти и выполнено за одно целое с корпусом посредством литья или соединен с внутренней поверхностью стенки корпуса, например, при помощи сварки. При этом профилированный элемент устанавливают с обеспечением минимального зазора относительно наружной поверхности центрального тела.
Выполнение центрального тела и колеса-разделителя полыми позволяет использовать их внутренние полости в качестве дополнительных рабочих каналов и объемов, что, в свою очередь, позволяет увеличить общий объем зоны расширения устройства и расход рабочего тела, что соответственно обеспечивает повышение эффективности работы роторной машины.
Подвод рабочего тела в роторную машину и его отвод осуществляют через каналы для входа и канал для выхода рабочего тела, выполненных, например, в виде входного и выходного патрубков соответственно.
Увеличение давления и температуры рабочего тела в устройстве достигается за счет подвода тепла к топливовоздушной смеси при постоянном объеме (Цикл при V=const). Камера сгорания в данном случае образована объемом зоны расширения с соедененной частью внутреннего объема полого центрального тела.
Для уравновешения действия центробежных и газовых сил, действующих на элементы конструкции, и увеличения крутящего момента устройства роторная машина может быть оснащена несколькими колесами-разделителями, а также может конструктивно включать две и более описанных выше секций, установленных относительно друг друга под равными углами.
Изобретение поясняется чертежами:
- на фиг.1 показан поперечный разрез роторной машины в момент первоначального впуска свежего заряда рабочего тела через внутреннюю полость колеса-разделителя в зону расширения и начала выпуска отработанных газов из зоны выхлопа (вариант с полым колесом-разделителем);
- на фиг.2 показан поперечный разрез роторной машины в момент завершения впуска свежего заряда рабочего тела через каналы внутренней полости центрального тела и начала такта расширения (вариант с полым колесом-разделителем);
- на фиг.3 показан поперечный разрез роторной машины в момент завершения впуска свежего заряда рабочего тела и завершения такта расширения и выпуска отработанных газов (вариант с неполым колесом-разделителем).
Роторная машина содержит корпус 1 с профилированным элементом 2, выполненным в виде выступа на внутренней стенке 3 корпуса 1. Во внутренней полости (являющейся рабочей камерой) корпуса 1 размещены центральное тело 4 с колесом-разделителем 5. В данном случае корпус 1 является подвижной частью, т.е. ротором.
Центральное тело 4 установлено с зазором относительно внутренней поверхности (стенки) 3 корпуса 1, образуя кольцевой рабочий канал, разделенный колесом-разделителем 5 и профилированным элементом 2 на зону расширения 6 и зону выхлопа 7 рабочего тела. На фиг.2 зона расширения 6 расположена справа относительно профилированного элемента 2, а зона выхлопа 7 - слева.
Профилированный элемент 2, имеющий, например, форму лопасти, установлен с обеспечением минимального зазора относительно поверхности наружной стенки центрального тела 4.
Колесо-разделитель 5 установлено в кольцевом рабочем канале между стенкой 3 и примыкающей поверхностью центрального тела 4 с возможностью вращения относительно наружной поверхности центрального тела 4 и обкатываться по внутренней поверхности 3 с обеспечением минимального зазора между ними. Причем диаметр колеса-разделителя 5 по своим размерам может быть равным или больше размера высоты ℓ кольцевого рабочего канала (см. фиг.2). При этом в случае, если величина высоты ℓ кольцевого рабочего канала меньше величины диаметра колеса-разделителя 5, то для обеспечения нормальной работы роторной машины часть поверхности центрального тела 4 выполняют с выемкой, ответной форме поверхности колеса-разделителя 5.
Колесо-разделитель 5 выполнено с профилированной выемкой (углублением) 8, вогнутая поверхность которой технологически сопряжена с ответной поверхностью профилированного элемента 2, и с обеспечением минимального зазора между ними по линии их соприкосновения в процессе вращения. С целью синхронизации вращения корпус 1 и колесо-разделитель 5 кинематически соединены между собой. Ось вращения колеса-разделителя 5 расположена в одной плоскости с осью центрального тела 4.
С целью повышения эффективности использования роторной машины и увеличения рабочего объема всего устройства центральное тело 4 выполнено полым, а во внутренней полости центрального тела 4 размещены карман 9, поворотный клапан 10 и канал подвода 11 рабочего тела. Клапан 10 предназначен для регулирования подачи рабочего тела из канала подвода 11 к кольцевому рабочему каналу в процессе работы устройства через щель 12. При этом объем кармана 9 в процессе вращательного перемещения корпуса 1 и центрального тела 4 с помощью поворотного клапана 10 через щель 12 поочередно соединяется с зонами 6 и 7 рабочего канала.
Кроме того, колесо-разделитель 5 также может быть выполнено полым, и через его внутреннюю полость 13 и щель 14 периодически в процессе вращения, с целью первоначального заполнения рабочим телом зоны расширения 6, сообщают его объем с каналом подвода рабочего тела к устройству.
Рабочий объем устройства ограничен боковыми стенками корпуса. Устройство имеет также канал 15 отвода рабочего тела, который сообщен с зоной выхлопа 7 кольцевого рабочего канала.
Входной и выходной патрубки, система топливоподачи и зажигания на чертежах не показаны.
Для уравновешения действия центробежных и газовых сил, действующих на элементы конструкции, и увеличения крутящего момента устройства одна секция роторной машины может быть оснащена несколькими колесами-разделителями 5 или конструктивно включать две и более описанных выше секций, установленных относительно друг друга под равными углами.
Роторная машина объемного типа работает следующим образом (показана на примере выполнения роторной машины с полым колесом-разделителем).
В исходном положении (фиг.1) начинается формирование зоны расширения 6 и первоначальное заполнение ее объема свежим зарядом рабочего тела путем соединения указанного объема с каналом подвода 11, сообщенного с входным патрубком, через внутреннюю полость 13 колеса-разделителя 5 и щель 14. Начинается процесс выпуска отработанных газов предыдущего цикла через канал 15.
В этот момент объем зоны 7 достигает максимального, а зоны расширения 6 - минимального своего значения. Начинается процесс совершения полезной работы устройством с увеличением объема зоны расширения 6 и уменьшением объема зоны выхлопа 7.
На расчетном угле с помощью лопасти 2, выполняющей роль поворотного клапана, через внутреннюю полость центрального тела 4 и открытый клапан 10 с помощью щели 12 соединяют канал подвода 11 с зоной расширения 6 для заполнения указанного объема свежим зарядом рабочего тела.
На фиг.2 показано взаимное положение составных частей в момент завершения подачи свежего заряда рабочего тела в рабочие объемы устройства.
Объем кармана 9 внутренней полости центрального тела 4, заполненный свежим зарядом рабочего тела, соединен с зоной расширения 6 кольцевого рабочего канала с помощью щели 12. Поворотный клапан 10 закрыт для впуска свежего рабочего тела в карман 9 из канала подвода 11. Канал 15 отвода рабочего тела также открыт для выпуска отработанных газов из зоны выхлопа 7.
В данный момент объемы кармана 9 и зоны расширения 6 соответствуют максимальному рабочему объему впуска.
Начинается такт расширения устройства.
За счет разности давлений рабочего тела, действующего на противоположные (слева и справа) поверхности профилированного элемента 2 и колеса-разделителя 5, создается крутящий момент, под действием которого происходит относительное вращательное перемещение в противоположных направлениях корпуса 1 и центрального тела 4 с совершением устройством полезной работы.
Процесс (такт) расширения в изолированном объеме свежего рабочего тела, находящегося в объемах кармана 9 и зоны расширения 6, продолжается, обеспечивая относительное вращательное перемещение в противоположных направлениях корпуса 1 и центрального тела 4. Совершение устройством полезной работы продолжается. Одновременно с расширением в зоне 6 свежего рабочего тела из зоны 7 происходит вытеснение и через канал 15 отвода рабочего тела.
Процесс (такт) расширения свежего рабочего тела завершается в момент начала выпуска отработанных газов через открытый канал 15, что соответствует положению элементов конструкции устройства, изображенному на фиг.1. В данный момент начинается повторное первоначальное заполнение зоны расширения 6 очередного цикла свежим зарядом рабочего тела путем соединения указанного объема с каналом подвода 11, сообщенного с входным патрубком, через внутреннюю полость 13 колеса-разделителя 5 и щель 14. На расчетном угле с помощью лопасти 2, выполняющей роль поворотного клапана, через внутреннюю полость центрального тела 4 и открытый клапан 10 с помощью щели 12 соединяют канал подвода 11 с зоной расширения 6 для заполнения указанного объема свежим зарядом рабочего тела.
При использовании в качестве свежего рабочего тела топливовоздушной смеси после наполнения соединенных объемов кармана 9 и зоны 6 при закрытом поворотном клапане 10 (соответствующих максимальному изолированному объему впуска или объему объединенной камеры сгорания) осуществляют ее воспламенение. После воспламенения топливовоздушной смеси в объединенной камере сгорания и повышения рабочего давления (цикл подвода тепла при V=const) происходит процесс расширения рабочих газов в изолированном объеме зоны 6 и кармана 9, обеспечивая относительное вращательное перемещение в противоположных направлениях корпуса 1 и центрального тела 4. Процесс (такт) расширения рабочего тела в рабочих объемах объединенной камеры сгорания завершается аналогично в момент начала выпуска отработанных газов через открытый канал 15.
В процессе относительного вращения корпуса 1 и центрального тела 4 на расчетном угле поворотный клапан 10 открывается для перемещения свежего заряда рабочего тела из канала подвода 11 в объем кармана 9. В первоначальный момент объемы кармана 9 и зоны 7 с помощью щели 12 соединены между собой.
Из объема кармана 9 отработанные газы предыдущего цикла вытесняются новым зарядом рабочего тела, имеющим более высокое давление, в зону 7. Продувка объема кармана 9 новой порцией свежего заряда, поступающего из канала подвода 11, происходит до момента перекрытия щели 12 профилированным элементом 2. Объем кармана 9 в процессе вращательного перемещения корпуса 1 относительно центрального тела 4 с помощью щели 12 поочередно соединяют сначала с зоной 7 и после продувки объема кармана 9 с зоной 6. Рабочее тело в результате перепада давлений поступает из канала подвода 11 через открытый поворотный клапан 10 и через карман 9 в зону 6, заполняя указанные объемы до момента достижения максимального рабочего объема впуска, соответствующего изолированному объему объединенной камеры сгорания устройства.
Рабочий цикл устройства завершен.
В процессе дальнейшего относительного вращения корпуса 1 и центрального тела 4 на расчетном угле, при достижении максимального объема впуска, поворотный клапан 10 закрывается для перемещения свежего заряда рабочего тела из канала подвода 11. В данный момент объемы кармана 9 и зоны расширения 6 соответствуют максимальному рабочему объему, соответствующему изолированному объему объединенной камеры сгорания устройства.