РОТОРНО-ЛОПАСТНОЙ ДВИГАТЕЛЬ-НАСОС

Предлагаемая полезная модель относится к области двигателестроения, в частности, к классу машин для сжатия воздуха, газов, жидкостей, горючих смесей, эмульсий и т.д. (рабочего тела), называемых ротационными компрессорами со скользящими пластинами (лопастями), и может найти применение в качестве двигателя внутреннего сгорания для транспортных средств, гидродвигателя, пневмодвигателя, насоса.
Известные ротационные компрессоры со скользящими пластинами (лопастями) (см. И.М.Жумахов «Насосы, вентиляторы и компрессоры», М., «Углетехиздат, 1958 г., стр.487-490) обычно состоят из цилиндрического корпуса (статора), в котором эксцентрично расположен ротор так, что поверхности цилиндрического статора и ротора образуют серповидное рабочее пространство. В теле ротора по радиусу наклонно в сторону движения имеются пазы, в которых располагаются тонкие пластинки из металла (лопасти). Лопасти при вращении ротора под действием центробежной силы выдвигаются из пазов. Лопасти делят серповидное пространство корпуса на отдельные камеры разных объемов. В верхней части цилиндра объем камер будет наибольшим, а в нижней - наименьшим. Цилиндрический корпус (статор) имеет всасывающее (впускное) и нагнетательное (выпускное) отверстия. При вращении ротора объем камер увеличивается, давление в них падает, и через всасывающее отверстие в них поступает рабочее тело. При дальнейшем вращении ротора камеры в верхней части разъединяются с всасывающим отверстием, их объем уменьшается, и происходит сжатие рабочего тела, которое выходит через выпускное отверстие. После этого вновь происходит расширение рабочего тела до тех пор, пока камеры вновь не начнут сообщаться с впускным отверстием. Таким образом, за один оборот ротора происходит: всасывание, сжатие, нагнетание и расширение рабочего тела.
Роторно-лопастные двигатели имеют небольшой вес, обладают простотой конструкции, малой металлоемкостью, технологичностью и равномерностью работы. Однако каждая пластина (лопасть) при вращении прижимается к внутренней части цилиндрического статора под действием центробежных сил, и из-за их трения происходит быстрый износ внутренних частей двигателя. Это вызывает необходимость ограничения числа оборотов двигателя до 900 об/мин.
Известен роторно-лопастной двигатель (см. патент США №5596963, М. кл. F01C 11/00, F02B 53/02, F02B 55/14, F02B 75/02, F02B 55/00, F02B 53/00, опубл. 28.01.1997 г.), содержащий установленные на параллельных валах первый и второй цилиндрические роторные компрессоры и роторные моторы. При этом роторы имеют по одной роторной лопасти, установленной
диаметрально в торцевых пазах соответствующего ротора и выполненной с возможностью свободного скользящего перемещения в прорезях ротора при его вращении. Роторный компрессор и роторный мотор имеют в статорах впускные и выпускные клапаны (отверстия) для впуска горючей смеси и выпуска отработанных газов соответственно. При этом каждая из лопастей выполнена из двух частей, соединенных между собой пружиной и расположенных в торцевых прорезях соответствующего ротора. Такая конструкция лопастей снижает действие на них центробежных сил и, как следствие, снижает давление на внутреннюю поверхность статора, снижая износ внутренних частей двигателя.
Однако сложность конструкции лопастей и конструкции двигателя в целом (наличие двух компрессоров, моторов, клапанов, валов, шестеренок) приводит к ненадежности двигателя при его эксплуатации.
Данное устройство выбрано за прототип.
Задачей полезной модели является повышение надежности работы двигателя и упрощение его конструкции.
Решение поставленной задачи обеспечивается в роторно-лопастном двигателе-насосе, содержащем статор цилиндрической формы, в котором эксцентрично расположен ротор таким образом, что они образуют серповидное рабочее пространство, при этом двигатель имеет впускное и выпускное отверстия, а ротор снабжен, по меньшей мере, одной лопастью, расположенной диаметрально в его торцевых пазах, отличающемся тем, что лопасть выполнена сплошной, с возможностью продольного перемещения в торцевых пазах ротора, выполненных сквозными.
Для обеспечения продольного перемещения лопасти в пазах ротора предлагается обеспечить прижатие концов лопасти к внутренней поверхности статора. Для этого в одном из вариантов лопасть может иметь на одном конце торцевой части прорезь, в которой установлена подпружиненная пластина.
Во втором варианте для обеспечения продольного перемещения лопасти в пазах ротора она может иметь на одном конце торцевой части прорезь, в которой установлен, по меньшей мере, один подпружиненный стержень.
Предлагаемый роторно-лопастной двигатель-насос может быть снабжен двумя и более упомянутыми лопастями, каждая из которых установлена диаметрально в сквозных торцевых пазах ротора, причем пазы могут быть расположены напротив друг друга в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора.
При этом одну лопасть целесообразно устанавливать в режиме работы гидро и пневмо двигателя или гидро и пневмо насоса, а две и более - в режиме работы двигателя внутреннего сгорания.
Использование в предлагаемой конструкции, по меньшей мере, одной лопасти, выполненной сплошной, и конструктивные особенности, создающие возможность ее продольного перемещения в сквозных пазах ротора, обеспечивают минимальное давление на внутренние части статора,
уравновешивая действие центробежных сил. При этом снижается трение внутренних частей двигателя и повышается его надежность и КПД. Кроме того предлагаемая конструкция лопасти и ее установки на роторе создает как бы «плавающие» движения лопасти и ротора друг относительно друга, что позволяет увеличить скорость вращения ротора до 5000-6000 об/мин.
В целом данная конструкция двигателя значительно проще и не создает трудностей при ее эксплуатации.
Предлагаемая конструкция роторно-лопастного двигателя поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически показан пример выполнения и установки лопасти на роторе в режиме работы гидро или пневмо двигателя или гидро или пневмо насоса, на фиг.2 приведен один из примеров обеспечения прижатия лопасти к внутренней поверхности статора с помощью подпружиненной пластины, а на фиг.3 - второй пример обеспечения прижатия лопасти с помощью подпружиненного стержня. С помощью фиг.4 показан пример использования в двигателе двух лопастей предлагаемой конструкции при его работе в режиме двигателя внутреннего сгорания и даны пояснения к работе устройства.
Согласно фиг.1 предлагаемый роторно-лопастной двигатель содержит цилиндрический корпус (статор) 1, в котором эксцентрично расположен ротор 2 так, что поверхности статора и ротора образуют серповидное рабочее пространство. Статор 1 снабжен сплошной лопастью 3, расположенной диаметрально в торцевых сквозных пазах статора 1. При этом лопасть 3 имеет возможность продольного перемещения в сквозных пазах статора 1 за счет ее конструктивных особенностей, показанных на фиг.2 и 3. На фиг.1 также показаны впускное и выпускное отверстия 4 и 5 соответственно, которыми снабжен статор 1.
На фиг.2 показан один из примеров прижимного устройства конца лопасти 3 к внутренней поверхности статора 1 для обеспечения продольного перемещения лопасти 3 в сквозных пазах статора 1. Прижимное устройство представляет собой установленную в прорези на конце лопасти 3 и подпружиненную пружиной 6 прижимную пластину 7.
На фиг.3 показан второй пример прижимного устройства конца лопасти 3 к внутренней поверхности статора 1, выполненного в виде установленного в прорези на конце лопасти 3 и подпружиненного пружиной 6 прижимного стержня 8.
В соответствии с фиг.4 приведенный пример предлагаемого роторно-лопастного двигателя содержит статор 1, ротор 2, две лопасти 3, установленные диаметрально в торцевых сквозных пазах статора 1 под углом 90° друг к другу, и для пояснения работы устройства в качестве двигателя внутреннего сгорания показаны помимо впускного и выпускного отверстий 4 и 5 соответственно, установленная на статоре 1 свеча 9 зажигания. При этом впускное отверстие 4 расположено в статоре 1 (хотя возможен вариант его расположения в роторе 2), а выпускное отверстие 5 расположено в статоре 1.
Работу предлагаемого роторно-лопастного двигателя рассмотрим на примере его конструкции с двумя лопастями, приведенной на фиг.4, которая осуществляется за четыре цикла следующим образом.
1
2
При вращении ротора 2 объем камер А, В, С, Д, образуемых сторонами двух лопастей 3 между внешней поверхностью ротора 2 и внутренней поверхностью статора 1, будет меняться от минимального V (положение А) до максимального V (положение С). При повороте ротора 2 на 180° размер объема камер меняется на обратный.
В первом цикле работы двигателя камера находится в положении А, соответствующем концу сжатия рабочего тела (газа, жидкости и т.д.), горючая смесь сжата, проскакивает искра, создаваемая на электродах свечи 9 зажигания, горючая смесь возгорается, и образовавшиеся газы давят на лопасти 3, вращая ротор 2.
Во втором цикле работы двигателя камера находится в положении В, соответствующем началу выпуска, газы произвели работу, и осуществляется их выпуск через выпускное отверстие 5.
В третьем цикле работы двигателя камера находится в положении С, соответствующем концу выпуска, заканчивается выпуск отработанных газов, и продолжается впуск горючей смеси через впускное отверстие 4.
В четвертом цикле работы двигателя камера находится в положении Д, соответствующем сжатию, впуск горючей смеси завершен, и происходит процесс ее сжатия.
Все четыре цикла осуществляются за один оборот ротора 2, как при работе обычного двухтактного поршневого двигателя, но при этом каждая камера роторного двигателя как бы выполняет функцию цилиндра поршневого двигателя, и при этом, поскольку задействованы четыре камеры, усложняются процессы смазки и охлаждения двигателя. Для упрощения этих процессов целесообразно расположение камер по диагонали на противоположных сторонах ротора 2.
Выполнение лопасти (лопастей) 3 сплошной, а не в виде частей, как в прототипе, и обеспечение при вращении ротора 2 прижима лопасти 3 к внутренней поверхности статора 1 с минимальной нагрузкой с помощью специального прижимного устройства, которое может быть установлено на конце лопасти 3 в прорези в виде подпружиненной пластины 7 (фиг.2) или подпружиненного стержня 8 (фиг.3), уменьшает тормозящий момент от сил трения, и тем самым увеличивает скорость вращения ротора 2 (до 5000-6000 об/мин).
Работа данного устройства в режиме насоса осуществляется аналогично существующим устройствам такого класса, но в силу указанных конструктивных особенностей, такой насос при прочих равных параметрах имеет большую «оборотистость», т.е. большее давление (напор) на выходе на одной ступени работы, соответствующей четырем упомянутым циклам, и обеспечивает повышение производительности. Причем увеличение количества используемых лопастей 3 ведет к увеличению давления на
выходе на одной ступени работы, т.е. к дополнительному повышению производительности.
При работе предлагаемого двигателя в качестве пневмо или гидродвигателя для увеличения КПД целесообразно устанавливать в нем обтюратор для перекрытия давления в момент прохождения лопастью (лопастями) 3 периферии и впускного отверстия 4, что исключит действие тормозного момента на лопасть 3. Известные конструкции таких обтюраторов просты, имеют малый вес и приводятся в действие от вала ротора 2.
Таким образом, из приведенного описания работы предлагаемого устройства в различных режимах видно, что оно может найти применение в качестве двигателя внутреннего сгорания транспортных средств, пневмо и гидро двигателя или насоса и при простоте конструкции позволит повысить надежность работы такого устройства.