РОТАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, РАБОТАЮЩИЙ НА СЖИМАЕМОЙ СРЕДЕ
ROTARY ENGINE OPERATING ON COMPRESSED MEDIUM

Область техники
Изобретение относится к конструкции ротационного двигателя, работающего на сжимаемой среде, и, в частности, двигателя, приводимого сжатым газом или паром.
Уровень техники
Известны конструкции классических пневматических или паровых двигателей, содержащих кривошипный механизм и поршень, совершающий возвратное движение, недостатком которых являются значительные энергетические потери при изменении направления движения поршня. Подобным решением являются и двигатели, у которых кривошипный механизм был заменен косой пластиной. Известно также решение согласно EP 1084334, содержащее специальный кривошипный механизм, который позволяет поршню задержаться в его верхней мертвой точке, причем перед поршнем впускается сжатый воздух, который в результате своего расширения снова приводит поршень в движение. С технической точки зрения такое решение является очень сложным, и двигатель имеет низкий коэффициент полезного действия.
Другие известные конструкции ротационных пневматических двигателей используют эксцентрическую посадку ротора и подвижные уплотнительные пластины, как описано, например, в US 5174742, JP 11173101 или JP 7247949. Эти решения не позволяют использовать целую траекторию ротации для переноса энергии, что приводит к снижению КПД. Следующим недостатком тех решений является больший износ уплотнительных пластин и необходимость их смазки, а также необходимость использования специальных конструкционных материалов, что в результате приводит к повышению стоимости производства.
Известны также решения ротационных пневматических двигателей с двумя и более формованными роторами, которые при ротации образуют переменные рабочие полости, как в конструкциях, описанных, например, в JP 6017601, CS 173441, CZ 296486 или US 4797077. В этих решениях также нельзя использовать целую траекторию ротации для переноса энергии. Следующим важным недостатком является необходимость уплотнения больших площадей, большая общая масса двигателя и высокая производственная требовательность. Наконец, известно решение ротационного двигателя, согласно US 3221664, где ротационный поршень осуществляет комбинированное круговое и вращательное движение одновременно, а именно при помощи пальцев, эксцентрически установленных на трех сателлитных колесах, которые находятся в зацеплении с внутренним зубьями, помещенным в подшипниковой плите, жестко соединенной с неподвижным статором. Сателлитные колеса откачиваются по внутреннему зубчатому зацеплению и их центральные пальцы, вложенные в фланец центрального вала, перемещаются по окружности и таким образом вовлекают центральный вал в ротационное движение. Уплотнительные крышки жестко соединены с ротационным поршнем, тем самым двигаясь по торцевым поверхностям статора. Кольцевые пазы в уплотнительных крышках обеспечивают во время своего движения впуск и выпуск сжатой среды из присоединений. Недостатком этого решения является довольно сложная конструкция, а именно перенос целого возникающего крутящего момента с ротационного поршня на центральный вал.
Задачей изобретения является создание новой простой конструкции ротационного двигателя с минимальным количеством движущихся деталей, где не требуются никакие специальные детали для механического отделения отдельных рабочих фаз, которая также нетребовательна при производстве, имеет высокий КПД и надежность эксплуатации, и, вместе с тем, не наносит вреда окружающей среде.
Сущность изобретения
p
s
Указанная задача решается посредством создания ротационного двигателя согласно изобретению, работающего на сжимаемые среды и содержащего, по меньшей мере, один ротор и один статор, установленные между двумя взаимно сопряженными параллельно и размещенными подшипниковыми пластинами, выполненными с возможностью закрепления двусторонне выведенного ведущего вала ротора, на который прикреплен ротационный поршень, помещенный в камере статора, снабженной уплотняющими крышками, сущность которого состоит в том, что ротационный поршень с эллипсовидным сечением уложен в симметрично формованной трехгранной камере, снабженной закругленными вершинами, каждая из которых снабжена, по меньшей мере, одним каналом для впуска и выпуска сжатой среды, таким образом, что его продольная ось (o), которая соосна оси ведущего вала, с целью достижения одновременного кругового движения статора в противоположном направлении движению ротационного поршня, смещена относительно продольной оси (o) камеры статора на величину эксцентриситета (е), для чего к одной из подшипниковых пластин на ведущем валу прикреплено центральное зубчатое колесо, по окружности которого равномерно размещены три сателлитных зубчатых колеса, которые жестко посажены на пальцах, установленных с возможностью вращения в подшипниковой пластине, и сопряженных со статором при помощи поводковых штифтов, закрепленных в статоре с эксцентриситетом (е) по отношению к осям пальцев.
Согласно другому аспекту изобретения ротационный поршень сформирован таким образом, что между большой осью (а) и малой осью (b) эллипса и эксцентриситетом (е) действует отношение
а=b+2е,
v
s
причем как закругленные вершины камеры, взаимно повернутые на 120°, образованы на расстоянии (v) от продольной оси (o) камеры статора, которая имеет значение
v
v=а+е,
s
так и закругление вершин камеры соответствует закруглению ротационного поршня, стены камеры, противоположные вершинам, образованы на расстоянии (v), которое соответствует радиусу вписанной окружности и имеет значение
s
v=b+е,
а также переходные части поверхности камеры между вершинами и стенами образованы огибающей кривой, образованной движущимся ротационным поршнем.
Согласно еще одному аспекту изобретения сателлитные зубчатые колеса снабжены в два раза меньшим количеством зубьев, чем центральное зубчатое колесо, а их пальцы в подшипниковой пластине закреплены при помощи пальцевых подшипников, при этом каждый из пальцев на своем внешнем торце снабжен фиксирующим отверстием, образованным с отклонением от оси на значение эксцентриситета (e), причем в каждом фиксирующем отверстии посажен направляющий подшипник для закрепления поводковых штифтов, которые закреплены в статоре с таким же шагом, что и сателлитные зубчатые колеса.
Следующим преимуществом решения является посадка движущихся деталей в подшипниках, легкость их точной обработки и синхронно управляемое движение, что позволяет создать образование минимального зазора между ротационным поршнем и статором. Благодаря этому, ротационный поршень может бесконтактно поворачиваться во внутренней полости статора, тем самым повышая эффективность и долговечность двигателя. Отпадает необходимость в смазке контактных поверхностей, что представляет особое преимущество при эксплуатации пара. Немаловажным преимуществом является также возможность достижения динамической балансировки кругового движения статора при параллельном сдвиге всех его точек по окружности в радиусе эксцентриситета (e), лишь добавив один или более ротационных поршней на ведущий вал и соединив между собой соответствующие статоры с синхронным механизмом, то есть системами зубчатых колес и соответствующих им поводковым штифтам. При этом у двигателя имеется возможность легкого реверсирования направления всего лишь путем изменения регулировки перепускных клапанов. С точки зрения защиты окружающей среды преимущество решения заключается в сравнительно низкой шумности хода двигателя и отсутствии выделения выхлопов в период его эксплуатации. При использовании самосмазывающихся подшипников и центрального пластмассового зубчатого колеса двигатель может работать полностью без масла.
Краткое описание чертежей
Конкретный пример конструкции двигателя в соответствии с изобретением схематически показан на прилагаемых чертежах, на которых:
фиг.1 - вид в вертикальном продольном разрезе двигателя;
фиг.2 - схематический профильный вид двигателя со стороны центрального зубчатого колеса;
фиг.3-5 - геометрические схемы ротора и статора для образования форм эллипсовидного поршня ротора, трехгранной камеры статора и огибающей кривой камеры статора; и
фиг.6 - отдельные фазы работы двигателя.
Варианты осуществления изобретения
Ротационный двигатель состоит из ротора 1 и статора 2, которые посажены между двумя параллельно размещенными подшипниковыми пластинами 3, которые взаимно сопряжены распорными элементами 4, например болтами, равномерно установленными по периметру. В средней части подшипниковых пластин 3 размещены подшипники вала 5, в которых посажен двусторонне выведенный ведущий вал 11 ротора 1, на котором соосно закреплен ротационный поршень 12 с эллипсовидным сечением, который сформирован таким образом, что между большой осью a и малой осью b эллипса и эксцентриситетом (e) действует отношение
a=b+2e.
v
s
Ротационный поршень 12 размещен в трехгранной камере 21 кольцевого статора 2, к торцевым поверхностям 22 которого двусторонне прикреплены, с преимуществом привинчены, уплотнительные крышки 6, снабженные центрированными отверстиями 61, позволяющими свободный проход ведущего вала 11. Форма камеры 21 статора 2 состоит из трех симметричных частей, а закругленные вершины 211, взаимно повернутые на 120°, образованы на расстоянии (v) от продольной оси (o) статора 2, которая имеет значение
v
v=a+e,
s
причем закругление вершины 211 камеры 21 соответствует закруглению ротационного поршня 12. Стены 212 камеры 21, противоположные вершинам 211, образованы на расстоянии (v), которое соответствует радиусу вписанной окружности и имеет значение
s
v=b+e.
P
s
Переходные части 213 поверхности камеры 21 между вершинами 211 и стенами 212 образованы огибающей кривой движущегося ротационного поршня 12, у которого продольная ось o сдвинута относительно продольной оси o камеры 21 на значение эксцентриситета e, как изображено на фиг.3-5. В каждой из вершин 211 образован, по меньшей мере, один канал 214 для впуска и выпуска рабочей среды.
С внешней стороны одной из подшипниковых пластин 3 установлено на ведущем валу 11 центральное зубчатое колесо 7, по окружности которого равномерно под 120° установлены три сателлитных зубчатых колеса 8, которые снабжены в два раза меньшим количеством зубьев, чем центральное зубчатое колесо 7. Сателлитные зубчатые колеса 8 жестко посажены на пальцах 81, которые установлены с возможностью вращения, например, при помощи пальцевых подшипников 82, в подшипниковой пластине 3. Каждый из пальцев 81 на своем внешнем торце 811 снабжен фиксирующим отверстием 812, образованным с отклонением от оси на значение эксцентриситета e. В каждом фиксирующем отверстии 812 посажен направляющий подшипник 813 для закрепления поводковых штифтов 23, которые закреплены, например запрессованы, в статоре 2 с таким же шагом, что и сателлитные зубчатые колеса 8, и служат для переноса кругового движения статора 2 на ведущий вал 11.
Из вышеприведенного видно, что только общее описание ротационного двигателя не решает остальные связанные с этим и не изображенные узлы конструкции, например, такие как перепускные клапаны, в том числе управление ими и подача, смазка, охлаждение, маховик и т.д., которые не влияют на сущность предлагаемого решения. Точно так же изобретатель сознательно использует название «статор 2» для элемента, совершающего круговые движения, так как данный элемент в самом деле исполняет роль статора 2 по отношению к крутящемуся в обратном направлении ротационному поршню 12.
S
P
P
Главным параметром для определения величины ротационного двигателя при образовании эллипсовидной формы ротационного поршня 12 и формы трехгранной камеры 21 статора 2 является избираемое значение эксцентриситета e, то есть смещение оси o трехгранной камеры 21 статора 2 относительно оси o ротационного поршня 12, выполняющего простое вращательное движение. В оптимальном случае выбора сечения ротационного поршня 12 длина а большой оси эллипса в пять-шесть раз превышает значения эксцентриситета e, в связи с чем малая ось b при повороте ротационного поршня 12 на 90° должна касаться стен трехгранной камеры 21, значит, последняя в два раза меньше значения эксцентриситета e. Трехгранная камера 21 образована таким образом, что переходную кривую между закругленными вершинами 211 и стенами 212, размеры которой ограничены вписанной окружностью, образует огибающая кривая ротационного поршня 12, вращающегося с вдвое большей скоростью, чем одновременно вращающийся в противоположном направлении статор 2 на окружности радиусом эксцентриситета e, причем все его точки в любом моменте движения параллельно перемещены на значение эксцентриситета e. Комбинированное движение ротационного поршня 12 и статора 2 можно заменить так, что статор 2 остается неподвижным, а ротационный поршень 12 движется планетарно, причем центр эллипса движется по окружности радиусом эксцентриситета e под определенным углом и одновременно с этим ось o эллипса, а именно ротационного поршня 12, поворачивается в противоположном направлении под в два раза меньшим углом, как видно на фиг.5. Таким методом можно определить наиболее удаленные контактные точки эллипса, при касательном соединении которых с закруглением вершин 211 возникнет огибающая кривая, которой на противоположной стороне будут касаться и боковые части эллипса ротационного поршня 12.
Работа двигателя опирается на положение ротационного поршня 12, одна из кривых которого находится в одной из вершин 211 статора 2, где закрывает соответствующий канал 214 для впуска сжатой среды, причем своей поверхностью двусторонне симметрично прикасается к стенам 212 статора 2. При повороте ротационного поршня 12, изображенного на фиг.6, его точки, контактирующие с обеими стенами 212, начинают удаляться друг от друга, а в камере 21 возникает рабочая полость 215, в которую по прилегающему каналу 214 через непоказанный перепускной клапан начинает поступать рабочая среда, которая своей экспанзией поворачивает ротационный поршень 12 до максимально возможного объема, что представляет собой при повороте ротационного поршня 12 на 90°. Одновременно с этим на обратной стороне ротационного поршня 12 заканчивается предыдущий рабочий цикл в рабочей полости 215, находящейся у другой вершины 211, которая опоражнивается через соответствующий канал 214. После опорожнения ротационный поршень 12 у вершины 214 принимает исходную позицию, и процесс повторяется описанным выше способом. С учетом трехгранной формы камеры 21 впуск нагнетательной среды происходит в направлении, противоположном вращению ротационного поршня 12, а именно всегда после его поворота на 60°, т.е. шесть раз за одно вращение. Из вышеописанного видно, что отдельные рабочие циклы, происходящие в рабочих полостях 215 соответствующих вершин 211, взаимно перекрываются, так как достигают максимальной рабочей полости 215 при повороте рабочего поршня на 90°, но уже при его повороте на 60° начинается у соседней вершины 211 следующий рабочий цикл.
Описанное решение конструкции не является единственно возможным выполнением ротационного двигателя, так как в зависимости от величины и требующейся мощности можно в каждой вершине образовать вместо одного два канала 214 для самостоятельных впуска и выпуска сжатой среды, а также выполнение и спаривание подшипниковых пластин 3 может быть различным в зависимости от конкретного выполнения конструкции ротора 1 и статора 2.
Промышленная применимость
Ротационный двигатель в соответствии с изобретением можно применять в различных отраслях промышленности и транспорта в качестве экологически чистой силовой единицы машин, транспортных средств и другого оборудования.