РОТОРНАЯ МАШИНА ОБЪЕМНОГО ТИПА
ROTARY MACHINE OF VOLUMETRIC TYPE

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано для привода потребителей механической энергии, а также в качестве составной части двигателя внутреннего сгорания с обеспечением термодинамического цикла подвода тепла к рабочему телу при постоянном объеме.
Устройство относится к классу роторных машин объемного типа, рабочим телом которого может быть как жидкое, так и газообразное вещество с повышенным давлением, например сжатый воздух, топливовоздушная смесь и др.
Известна роторная машина, содержащая трехсекционный корпус с размещенными в нем ротором и двумя колесами-разделителями, кинематически связанными друг с другом. Ротор размещен в средней секции корпуса, оснащен двумя лопастями, перекрывающими рабочий канал, и снабжен ограничивающими рабочий канал боковыми стенками. По крайней мере, в одной из боковых стенок 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. Колеса-разделители установлены в крайних секциях корпуса с перекрытием рабочего канала по линии соприкосновения их цилиндрических поверхностей с ротором. (Патент РФ №2135778, F01C 1/08, опубл. 27.08.1999 г. [1].)
Недостатком известного устройства является то, что подвод/отвод рабочего тела высокого давления осуществляется через окна, выполненные в боковых стенках ротора, и ответные проемы в торцевых стенках рабочей камеры, имеющие очень ограниченный размер, что приводит к более высоким гидравлическим потерям и увеличению времени при заполнении (выталкивании) газообразного рабочего тела при прочих равных условиях. К тому же наличие на роторе ограничивающих боковых стенок значительно увеличивает площади подвижных и неподвижных элементов конструкции, что, 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, снижая тем самым эффективность устройства и технологичность его конструкции. В известном устройстве в передаче механической энергии от рабочего тела при расширении участвует только один ротор, что потребует увеличения габаритно-массовых характеристик устройства.
Также известен газороторный привод, включающий корпус, в расточках которого, образованных пересекающимися цилиндрическими поверхностями, размещены два ротора, установленные относительно цилиндрических стенок корпуса с образованием кольцевых каналов, связанных между собой. Устройство также содержит каналы подвода и канал отвода рабочего тела, выполненные в виде патрубков. Каждый ротор оснащен выемкой и профилированной лопастью, выполненной ответной выемке другого ротора и с возможностью перекрытия соответствующего кольцевого канала для разделения его на зону расширения и зону выхлопа рабочего тела. (Патент США №3.472.445 А, 14.10.1969, F01C 1/12 [2].)
Недостатком известной конструкции является то, что подвод/отвод рабочего тела высокого давления, так же как и в предыдущем решении, осуществляется через окна ограниченных размеров, что приводит к гидравлическим потерям и увеличивает время при заполнении (выталкивании) газообразного рабочего тела. А также в устройстве не предусмотрено использование внутренних объемов роторов для размещения рабочего тела, что ухудшает габаритно-массовые, мощностные и расходные характеристики устройства в целом.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является роторная машина объемного типа, содержащая корпус с технологическим отверстием и профильным элементом, выполненным в виде выступа на внутренней стенке корпуса, установленные внутри полости корпуса пустотелое колесо-разделитель с отверстием под профильный элемент и пустотелое центральное тело с каналом подвода и каналом отвода рабочего тела и с продольным радиальным пазом под колесо-разделитель, колесо-разделитель установлено в продольном радиальном пазу центрального тела с возможностью вращения вокруг своей продольной оси, машина содержит средство регулирования подвода и отвода рабочего тела, а корпус установлен с возможностью вращения вокруг своей оси в одной плоскости с осью вращения колеса-разделителя и кинематически связан с ним. (Патент РФ №2391514 C1, F01C 1/00, опубл. 10.06.2010 г. [3].)
Недостатками данной конструкции являются:
- наличие сопряженных поверхностей сложного профиля колеса-разделителя, что требует применения специального технологического оборудования для обеспечения их высокоточного изготовления и дополнительных затрат для поддержания необходимой герметичности в процессе их эксплуатации;
- существенная зависимость используемого полезного объема кольцевого рабочего канала устройства от площади продольного проема (щели) на поверхности колеса-разделителя и размеров перегородки корпуса;
- образование отрицательного крутящего момента, создаваемого колесом-разделителем из-за разности давления рабочего тела, действующего на части поверхности сложного профиля слева и справа перегородки (зоны расширения и выхлопа) при их сопряжении.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности использования роторной машины, а также улучшение технологичности и универсальности устройства при изготовлении и применении.
Ожидаемый технический результат устройства заключается в повышении герметичности соединений элементов, повышении кпд и снижении затрат при изготовлении и применении.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что в известной роторной машине объемного типа, содержащей корпус с технологическим отверстием и профильным элементом, выполненным в виде выступа на внутренней стенке корпуса, установленные внутри полости корпуса пустотелое колесо-разделитель с отверстием под профильный элемент и пустотелое центральное тело с каналом подвода и каналом отвода рабочего тела и с продольным радиальным пазом под колесо-разделитель, колесо-разделитель установлено в продольном радиальном пазу центрального тела с возможностью вращения вокруг своей продольной оси, машина содержит средство регулирования подвода и отвода рабочего тела, а ее корпус установлен с возможностью вращения вокруг своей оси в одной плоскости с осью вращения колеса-разделителя и кинематически связан с ним, согласно изобретению машина снабжена трубчатым профильным элементом с каналом подвода и каналом отвода рабочего тела, боковая поверхность трубчатого элемента выполнена в виде двух сопряженных геометрических тел вращения, одно из которых равно диаметру внутренней поверхности колеса-разделителя, а другое равно диаметру наружной поверхности центрального тела, трубчатый профильный элемент жестко связан с центральным телом и установлен в колесо-разделитель с возможностью обкатывания колеса по внутренней поверхности одного тела вращения, а поверхность другого тела вращения в элементе равноудалена от оси центрального тела и технологически сопряжена с профильным элементом корпуса, при этом средство регулирования подвода и отвода рабочего тела выполнено в виде регулирующих клапанов, установленных на каналах отвода рабочего тела из трубчатого профильного элемента и из центрального тела.
Повышенная эффективность работы, улучшенная технологичность и универсальность роторной машины по сравнению с прототипом достигаются за счет:
- увеличения эффективного объема кольцевого рабочего канала в результате продолженного такта расширения рабочего тела во внутренней полости колеса-разделителя (благодаря возможности размещения части центрального тела и перегородки корпуса при сопряжении их поверхностей во внутренней полости колеса-разделителя);
- снижения потерь энергии рабочего тела в результате обеспечение повышения герметичности рабочих объемов устройства путем исключения площадей сопрягаемых поверхностей технологически сложного профиля и дополнительных технологий уплотнения;
- снижения потерь энергии рабочего тела в результате повышения герметичности объемов устройства путем исключения площадей сопрягаемых поверхностей технологически сложного профиля и отрицательного крутящего момента, создаваемого колесом-разделителем;
- возможности применения освоенных технологий активных средств уплотнения сопрягаемых поверхностей, что позволит использовать устройство в качестве нагнетателей как для сжатия (нагнетания), так и для расширения рабочего тела с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
При этом конструктивное исполнение колеса-разделителя устройства позволяет:
- исключить контакт поверхностей колеса-разделителя и перегородки, а также локализовать технологическое место сопряжения поверхностей, требующих уплотнения рабочего объема на торцевой части перегородки с центральным телом;
- разместить внутри колеса-разделителя части центрального тела с перегородкой, чем обеспечивается повышение эффективного объема кольцевого рабочего канала и удлинение рабочего такта и совершение большей полезной работы устройством (т.е. увеличивается радиальный угол перемещения перегородки для продолжения такта расширения или сжатия);
- уменьшить отрицательный крутящий момент, создаваемый колесом-разделителем вследствие отсутствия поверхности сложного профиля, сопряженной с перегородкой.
Внутренняя поверхность корпуса, внутренние и внешние поверхности частей центрального тела и колеса-разделителя в поперечном сечении имеют правильные формы тел вращения.
Колесо-разделитель может быть выполнено с диаметром, большим высоты кольцевого рабочего канала, при этом некоторая часть поверхностей частей центрального тела будет иметь форму, ответную сопряженным поверхностям колеса-разделителя. Размещение одной из частей центрального тела внутри колеса-разделителя обеспечивает ее сопряжение с радиальной перегородкой после захода последней в разрыв колеса-разделителя при взаимном перемещении конструктивных элементов устройства в процессе работы (вращения).
Уплотнение соединений сопрягаемых поверхностей конструктивных элементов устройства с геометрически правильными формами обеспечивается возможностью применения пассивных способов герметичности и относительного вращения поверхностей с одинаковой линейной скоростью качения по месту их контакта.
Сопрягаемыми в заявленном изобретении являются следующие поверхности конструктивных элементов устройства в месте их контакта:
- внутренняя поверхность корпуса с наружной частью колеса-разделителя;
- торцевая часть радиальной перегородки с наружными частями центрального тела;
- наружная и внутренняя поверхности колеса-разделителя с соответствующими внутренними и наружными поверхностями частей центрального тела.
Между сопрягаемыми поверхностями в процессе работы заявленного устройства обеспечиваются минимальные зазоры для исключения перетекания рабочего тела из объемов с более высоким давлением в объемы с более низким давлением, с приемлемыми потерями на трение указанных поверхностей. Минимизация зазоров достигается за счет изготовления сопрягаемых поверхностей конструктивных элементов устройства с высокими требованиями к их герметичности в месте контакта и обеспечивается точностью их параметров по углу, форме и шероховатости поверхности. При этом используются традиционные методы обработки с использованием прецизионного и специального контрольного оборудования, обслуживаемого высококвалифицированными специалистами, что позволяет минимизировать утечки рабочего тела в зоне контакта сопряженных поверхностей конструктивных элементов устройства.
Заявленное изобретение относится к роторным машинам объемного типа, которые 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 и др.).
В случае подвода тепла к сжатому рабочему телу при постоянном объеме и обеспечении последующего расширения рабочих газов заявленное устройство может представлять собой привод потребителей механической энергии, в том числе элементов двигателя внутреннего сгорания.
Корпус как составная часть ротора приводимых машин и механизмов в продольном сечении с его внутренней стенкой, поверхности частей центрального тела и колеса-разделителя могут иметь форму (профили) различных тел вращения (цилиндрическую, конусообразную или другого более сложного профиля). В поперечном сечении поверхности указанных конструктивных элементов устройства имеют форму окружностей.
При использовании устройства в качестве роторного двигателя внутреннего сгорания его кольцевой рабочий канал и внутренние объемы центрального тела могут быть поделены (колесом-разделителем, радиальной перегородкой корпуса и другими элементами) на зоны наполнения, сжатия, подвода тепла, расширения и зону выхлопа рабочего тела.
Выполнение частей центрального тела и колеса-разделителя полыми позволяет использовать их внутренние полости в качестве дополнительных рабочих каналов, что, в свою очередь, позволяет увеличить общий объем подвода тепла и расширения устройства, что соответственно обеспечивает повышение эффективности работы роторной машины.
Радиальная перегородка (радиальный выступ, профилированный элемент) может быть выполнена профилированной за одно целое с корпусом посредством литья или соединения с внутренней поверхностью стенки корпуса, например, при помощи сварки, при этом устанавливают ее с обеспечением минимального зазора между торцевой частью радиальной перегородки и наружной поверхностью частей центрального тела.
Подвод рабочего тела в роторную машину и его отвод осуществляют через каналы для входа и канал для выхода рабочего тела, выполненные, например, в виде входного и выходного патрубков соответственно.
Изобретение поясняется схематичными чертежами (представлены с учетом вращения ротора по часовой стрелке).
На фиг. 1 - поперечный разрез роторной машины в исходном положении конструктивных частей устройства - в момент завершения такта расширения и начала выхлопа рабочего тела и начала заполнения рабочего объема внутри колеса-разделителя новой порцией рабочего тела (момент максимального объема зоны расширения).
На фиг. 2 - поперечный разрез роторной машины в промежуточном положении конструктивных элементов устройства, при котором завершен этап заполнения объемов зоны расширения рабочим телом.
Роторная машина содержит корпус 1 с профильным элементом 2, выполненным в виде выступа на внутренней стенке 3 корпуса 1. Во внутренней полости корпуса 1 размещены пустотелое центральное тело 4 с каналом подвода и каналом отвода рабочего тела и с продольным радиальным пазом под колесо-разделитель 6 с отверстием 9 под профильный элемент. Машина содержит трубчатый профильный элемент 5 с каналом подвода и каналом отвода рабочего тела, боковая поверхность трубчатого элемента 5 выполнена в виде двух сопряженных геометрических тел вращения, одно из которых равно диаметру внутренней поверхности колеса-разделителя 6, а другое равно диаметру наружной поверхности центрального тела 4. Трубчатый профильный элемент 5 жестко связан с центральным телом 4 и установлен в колесо-разделитель 6 с возможностью обкатывания колеса по внутренней поверхности одного тела вращения, а поверхность другого тела вращения в элементе равноудалена от оси центрального тела и технологически сопряжена с профильным элементом 2 корпуса 1. Средство регулирования подвода и отвода рабочего тела выполнено в виде регулирующих клапанов 12, 13, установленных на каналах отвода рабочего тела из камеры 10 трубчатого профильного элемента 5 и из камеры 11 центрального тела 4.
Центральное тело 4, колесо-разделитель 6 и корпус 1 образуют зону 7 выхлопа рабочего тела и зону 8 расширения рабочего тела, разделяемых профильным элементом 2. Зона 7 выхлопа (фиг. 2) расположена справа относительно профильного элемента 2 корпуса 1, а зона 8 расширения - слева (при вращении ротора по часовой стрелке). Взаимное размещение во внутренней полости колеса-разделителя 6 трубчатого профильного элемента 5 центрального тела 4 и профильного элемента 2 (см. фиг. 1) обеспечивает пересечение их траекторий и продолжение объема кольцевого рабочего канала устройства при вращении ротора до достижения последним вертикального положения.
Колесо-разделитель 6 выполнено с возможностью вращения и обеспечения ввода-вывода профильного элемента 2 и соединения кольцевого рабочего канала устройства с внутренней полостью колеса-разделителя 6, разделяемого профильным элементом 2 на объем «а» слева от профильного элемента 2 (см. фиг. 1) и объем «в» справа от профильного элемента 2.
Зона 8 является рабочей камерой устройства и сформирована из части объема внутренней полости корпуса 1 и объема «а» колеса-разделителя 6, соединенных через разрыв (щель) 9 колеса-разделителя 6.
Профильный элемент 2 установлен с обеспечением минимального зазора между его торцевой частью и поверхностями наружных стенок частей центрального тела 4 и трубчатого профильного элемента 5. Для обеспечения синхронизации вращения корпус 1 кинематически соединен с колесом-разделителем 6.
Рабочие объемы элементов ограничены торцевыми стенками устройства.
Устройство имеет канал 15 отвода рабочего тела, сообщенный с зоной выхлопа 8 кольцевого рабочего канала.
Для повышения эффективности устройства, уравновешения действия центробежных и газовых сил, действующих на элементы конструкции, и увеличения крутящего момента роторная машина может быть оснащена несколькими профильными элементами 2 и/или колесами-разделителями 6, а также может конструктивно включать несколько секций, установленных относительно друг друга под равными углами и включающих все вышеуказанные конструктивные элементы (в каждой из секций).
Входной и выходной патрубки, система топливоподачи и зажигания на чертежах условно не показаны.
Роторная машина объемного типа работает следующим образом.
Первый этап такта расширения (исходное положение показано на фиг. 1). Первоначальное формирование зоны 8 расширения начинается с заполнения внутреннего объема «а» колеса-разделителя 6 (слева от профильного элемента 2) новой порцией рабочего тела и его соединением с внутренней полостью 10 трубчатого профильного элемента 5 центрального тела через открытое положение клапана 12.
После прохода радиальной перегородкой 2 корпуса 1 верхнего вертикального положения происходит выпуск отработанных газов предыдущего цикла из внутреннего объема «в» колеса-разделителя 6 (справа от профильного элемента 2) через разрыв 9 и канал 15.
В этом положении элементов устройства объем зоны 7 выхлопа, заключенный в кольцевом рабочем канале справа от профильного элемента 2 и слева от колеса-разделителя 6, достигает максимального значения, а объем зоны 8 расширения, заключенный внутри колеса-разделителя 6 слева от профильного элемента 2, имеет свое минимальное значение.
Процесс совершения полезной работы устройством начинается с заполнения внутреннего объема колеса-разделителя 6 новой порцией рабочего тела. При этом давление рабочего тела слева от профильного элемента 2 больше по сравнению с давлением рабочего тела 6 справа от профильного элемента 2.
Начинается соединение кольцевого рабочего канала (справа от колеса-разделителя 6 и профильного элемента 2) с каналом 15 для выпуска из его объема расширенного рабочего тела.
Практически с этого момента начинается:
- первый этап заполнения объема колеса-разделителя 6 (слева от профильного элемента 2) новой порцией рабочего тела путем соединения указанного объема с каналом подвода через внутреннюю полость 10 части 5 центрального тела и клапан 12 регулирования подачи рабочего тела;
- выпуск расширенного рабочего тела из объемов колеса-разделителя 6 и кольцевого рабочего канала справа от профильного элемента 2 через канал 15.
Дальнейший поворот ротора осуществляется за счет энергии новой порции рабочего тела с повышенным давлением, заполняющего объемы расширения.
Начинается первый этап такта расширения устройства без подвода тепла к рабочему телу.
На расчетном угле после пересечения канала 14 торцевой частью профильного элемента 2 корпуса 1 происходит второй этап заполнения объема зоны 8 расширения новой порцией рабочего тела через открытый клапан 13 и канал 14 из внутренней полости 11 центрального тела 4. В этом положении элементов устройства зона 8 расширения состоит из внутреннего объема колеса-разделителя 6 и объема части кольцевого рабочего канала слева от профильного элемента 2. Объемы зоны 8 расширения соединены через разрыв 9 колеса-разделителя 6.
На расчетном угле ротора закрываются клапаны 12 и 13, завершая этап заполнения объемов зоны 8 расширения новой порцией рабочего тела.
Второй этап такта расширения. При использовании в качестве рабочего тела топливовоздушной смеси, после наполнения ею соединенных объемов зоны 8 расширения (соответствующих максимальному изолированному объему впуска или объему объединенной камеры сгорания), осуществляют воспламенение топливовоздушной смеси. После воспламенения топливовоздушной смеси в объединенной камере сгорания происходит подвод тепла к рабочему телу, повышается ее рабочее давление и температура (цикл подвода тепла при V=const).
Происходит второй этап такта расширения устройства. Процесс расширения рабочих газов в изолированном объеме зоны 8 расширения обеспечивает превращение энергии рабочего тела с высоким рабочим давлением и температурой во вращательное перемещение корпуса 1 и колеса-разделителя 6 относительно трубчатого профильного элемента 5 и центрального тела 4.
Процесс (такт) расширения рабочего тела в рабочих объемах объединенной камеры сгорания завершается после прохода профильным элементом 2 корпуса 1 верхнего вертикального положения, при котором происходит выпуск отработанных газов из внутреннего объема колеса-разделителя 6 справа от профильного элемента 2 через разрыв 9 и канал 15.
Использование предложенной машины позволяет по сравнению с известной повысить кпд, снизить расход топлива, уменьшить потери и затраты на обслуживание и упростить технологию и затраты изготовления.