КОЛОВРАТНАЯ МАШИНА
ROTARY MACHINE

Изобретение относится к двигателе- и машиностроению и может быть использовано на транспортных средствах, а также для привода различного оборудования.
Известен коловратный двигатель с концентричным барабаном, содержащий корпус с входным и выходным патрубками для рабочего тела, воздействующего на барабан, установленный с возможностью вращения в корпусе (Пат. SU 2098, кл. F01C 1/02, 1925).
Недостатками такого двигателя являются:
- недостаточно большой момент на валу двигателя, поскольку давление рабочего тела в обе стороны (в направлении движения и против) одинаково и вращение происходит в основном за счет кинетической энергии этого тела, тангенциально поступающего в корпус;
- большой расход рабочего тела, например пара, связанный с тем, что в двигателе не происходит последовательного расширения пара, что также обуславливает относительно низкий термический КПД;
- сильный шум, создаваемый истекающим из двигателя рабочим телом.
Прототипом изобретения является коловратная машина, содержащая цилиндрический корпус с впускным и выпускным окнами, в котором установлены с возможностью вращения цилиндрический ротор с лопастями и кинематически связанные с ним ролики с выемками, периодически взаимодействующие посредством последних с лопастями и разделяющие пространство между корпусом и ротором на большую и меньшую кольцевые полости (Записки русскаго императорскаго общества, 1885).
Недостатками прототипа являются:
- большой расход пара и относительно низкий термический КПД, поскольку в машине не происходит расширения пара;
- сравнительно сильный шум, создаваемый истекающим паром. Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение КПД, уменьшение расхода рабочего тела и шума.
Задача решается тем, что в коловратной машине, содержащей цилиндрический корпус с впускным и выпускным окнами, в котором установлены с возможностью вращения цилиндрический ротор с лопастями и кинематически связанные с ним ролики с выемками, периодически взаимодействующие посредством последних с лопастями и разделяющие пространство между корпусом и ротором на большую и меньшую кольцевые полости, полости сообщены между собой, по крайней мере, одним каналом перепуска, центральный угол между входным и выходным окнами которого не больше центрального угла между лопатками, а центральный угол между впускным окном и входным окном канала не меньше разности центрального угла между лопатками и угловой ширины конца лопатки. Центральный угол между впускным и выпускным окнами корпуса больше центрального угла между лопатками не менее чем в 1,4÷1,45 раза. Выпускное окно корпуса расположено в зоне вращения ролика и примыкает к окружности цилиндра ротора и к кривой, являющейся проекцией впадины ролика в момент нахождения лопатки у входного окна канала перепуска. Выпускное окно корпуса выполнено в форме криволинейного треугольника, одна сторона которого примыкает к окружности цилиндра ротора, другая является проекцией впадины ролика в момент начала фазы перепуска, а третья - проекцией лопатки в момент начала удаления боковой поверхности ролика от боковой поверхности ротора.
Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.
Сообщение полостей между собой, по крайней мере, одним каналом перепуска, центральный угол между входным и выходным окнами которого не больше центрального угла между лопатками, а центральный угол между впускным окном корпуса и входным окном канала не меньше разности центрального угла между лопатками и угловой ширины конца лопатки, позволяет рабочему телу, например пару, расширяться в малой кольцевой полости, что снижает расход пара, повышает термический КПД машины и снижает шум.
Выполнение центрального угла между впускным и выпускным окнами корпуса больше центрального угла между лопатками не менее чем в 1,4÷1,45 раза, увеличивает угол расширения пара, что снижает расход и также повышает КПД.
Расположение выпускного окна корпуса в зоне вращения ролика и примыкание его к окружности цилиндра ротора и к кривой, являющейся проекцией впадины ролика в момент нахождения лопатки у входного окна канала, позволяет еще больше увеличить угол, на котором происходит расширение пара, что снижает расход и шум, а также повышает КПД машины.
Выполнение выпускного окна корпуса в форме криволинейного треугольника, одна сторона которого примыкает к окружности цилиндра ротора, другая является проекцией впадины ролика в момент начала фазы перепуска, а третья - проекцией лопатки в момент начала удаления боковой поверхности ролика от боковой поверхности ротора, что дает возможность максимально увеличить площадь сечения этого окна, в результате чего снижается шум при выхлопе.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг1 изображена схема коловратной машины в момент пуска. На фиг.2 изображена схема коловратной машины в момент расширения рабочего тела. На фиг.3 изображена схема коловратной машины в момент выпуска. На фиг.4 изображена схема реверсивной коловратной машины. На фиг.5 изображена схема коловратной машины с выпускным окном корпуса в зоне ролика в момент расширения рабочего тела. На фиг.6 изображена схема коловратной машины с выпускным окном корпуса в зоне ролика в момент приближения фазы выпуска.
Коловратная машина содержит цилиндрический корпус 1 с впускным 2 и выпускным 3 окнами, в котором установлены с возможностью вращения цилиндрический ротор 4 с лопастями 5 и кинематически связанные с ним ролики 6 с выемками 7, периодически взаимодействующие посредством последних с лопастями и разделяющие пространство между корпусом и ротором на большую и меньшую кольцевые полости 8 и 9. Полости сообщены между собой, по крайней мере, одним каналом 10 перепуска, центральный угол α между входным 11 и выходным 12 окнами которого не больше центрального угла между лопатками, а центральный угол β между впускным окном корпуса и входным окном канала перепуска не меньше разности центрального угла между лопатками и угловой ширины δ конца лопатки. В патрубок 13 подают рабочее тело, например пар. Центральный угол γ между впускным и выпускным окнами корпуса больше центрального угла между лопатками не менее чем в 1,4÷1,45 раза. Выпускное окно может быть выполнено в форме криволинейного треугольника 14. Для удобства описания лопатки 5 ротора пронумерованы римскими цифрами I, II и III. Кинематическая связь между ротором и роликами на чертежах не показана. При центральном угле между роликами 120° отношение частоты вращения ролика к ротору равно 1,5.
Работает коловратная (роторная) машина следующим образом.
В окно 2 корпуса 1 через патрубок 13 подают рабочее тело, например пар (фиг.1). Сила давления пара, действующая на заднюю (по ходу движения) поверхность лопатки 5 (I), начинает поворачивать ротор 4 против часовой стрелки. После того как передняя поверхность следующей лопатки 5 (II) минует окно 2 корпуса, между лопатками I и II в кольцевой полости 8 сформируется замкнутое пространство, давление пара на эти лопатки будет одинаковым, и момент вращения, создаваемый ранее силой давления пара на заднюю поверхность лопатки I, прекратит свое существование. Однако поступающий в окно 2 корпуса пар будет оказывать давление на заднюю часть лопатки II, поэтому момент вращения на роторе 4 сохранится.
Заметим, что пар можно подавать в окно 2 не постоянно, а прерывисто (с отсечкой), т.е. начинать подачу пара после прохождения лопатки окна 2 и заканчивать при удалении лопатки от окна на некоторый угол. Тогда после отсечки движение лопатки будет поддерживаться за счет упругости пара.
После прохождения задней поверхностью лопатки I угла β пар, находящийся между лопатками I и II в кольцевой полости 8, начинает поступать через окно 11, канал 10 и окно 12 в пространство между роликом 6 и лопаткой III полости 9 (фиг.2). При этом образуется сила давления, воздействующая на лопатку III и создающая дополнительный момент вращения на роторе 4. Происходит расширение находящегося между лопатками I и II в кольцевой полости 8 пара, при этом его давление и температура падают.
После прохождения задней поверхностью лопатки I угла γ пар, находящийся между лопатками I и II в кольцевой полости 8, через окно 3 корпуса будет истекать наружу (фиг.3). Одновременно через это же окно будет выходить отработавший пар из объема кольцевой полости 9, ограниченного лопаткой III и роликом 6, поскольку этот объем через канал 10 перепуска окажется соединенным с выпускным окном 3. После выхода пара цикл работы машины повторяется.
Таким образом, момент вращения ротора создается за счет действия силы давления на две лопатки, причем благодаря расширению пара повышается термический КПД машины и снижается расход пара.
Для обеспечения реверса машины ее необходимо снабдить вторым каналом перепуска, расположенным симметрично первому, при этом пар следует подавать в окно 3, а первый канал перепуска нужно перекрыть (фиг.4).
Для увеличения степени расширения пара выпускное окно 3 выполняют в зоне вращения ролика, причем сечение окна может быть выполнено не традиционной круглой формы, а в форме криволинейного треугольника 14 (фиг.5). После прохождения задней поверхностью лопатки I угла β пар, т.е. к моменту поступления пара из кольцевой полости 8 в пространство между роликом 6 и лопаткой III полости 9, выпускное окно оказывается перекрытым роликом 6, в результате чего пар имеет возможность расширяться.
После поворота лопатки на угол, больший угла γ, выпускное окно начинает освобождаться роликом 6 (фиг.6), однако фаза выпуска при этом еще не наступает. Полость 9 перекрыта от выпускного окна цилиндрической поверхностью ролика 6, а полость 8 - лопаткой I. Только после того как боковая поверхность ролика 6 отойдет от боковой поверхности ролика 4 или задняя поверхность лопатки I окажется над выпускным окном (в зависимости от того, какое из указанных событий наступит ранее), полость 9 или 8 сообщится с выпускным окном, и отработавший пар устремится наружу.
Благодаря этому значительно (по сравнению со случаем, когда впускное и выпускное окна находятся друг против друга) увеличивается угол, на котором происходит расширение пара, и, следовательно, дольше создается вращающий момент от силы, действующей на лопатку III от расширяющегося пара, что повышает КПД машины. При этом сечение выпускного окна можно сделать достаточно большим, что улучшает условия выхода пара из машины и снижает шум.
Внедрение изобретения позволит создать экономичную и сравнительно простую по конструкции машину, которая при работе не издает сильного шума.