РОТОР РОТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ
ROTOR OF ROTARY ENGINE

Область техники
Изобретение относится к ротору роторного двигателя и, в частности, но не исключительно, к ротору двигателя Ванкеля.
Предшествующий уровень техники
Роторные двигатели внутреннего сгорания широко применяют в качестве силовых установок для автомобилей, самолетов, катеров, стационарных двигателей и компрессоров. Роторный двигатель внутреннего сгорания содержит ротационный поршень или ротор, установленный с возможностью вращения внутри полости в корпусе или статоре.
Двигатели Ванкеля являются частной формой роторного двигателя внутреннего сгорания, статор которого содержит двухдольное эпитрохоидальное отверстие и концевые пластины, расположенные на противоположных продольных концах указанного отверстия и образующие внутреннюю полость. Стенки полости содержат входное и выходное отверстия для входа воздуха и выхода выхлопных газов, соответственно. Ротор двигателя Ванкеля содержит три боковые стороны, в целом, имеющие в разрезе форму равностороннего треугольника с выгнутыми наружу сторонами.
Ротор установлен на эксцентричной шейке приводного вала и приспособлен для вращения планетарным образом внутри полости за 1/3 оборота приводного вала. Зубчатое соединение ротора обычно обеспечено посредством вставки, размещаемой в локальном отверстии, образованном внутренней поверхностью корпуса. Вставка включает в себя опорную часть и делительную шестерню, которая входит в зацепление с фиксированной шестерней, закрепленной на одной из концевых пластин двигателя. Зацепление делительной шестерни с фиксированной шестерней ротора имеет место на одной третьей оборота приводного вала. Вставка должна быть жестко прикреплена к корпусу ротора для предотвращения вращательного или осевого перемещения вставки относительно тела ротора.
На каждой из трех вершин ротора установлены уплотнения вершин ротора, взаимодействующие с внутренней стенкой эпитрохоидального отверстия. При вращении ротора относительно статора уплотнения вершин ротора смещаются относительно внутренних стенок эпитрохоидального отверстия, но сохраняют плотный контакт с ними на протяжении всего цикла вращения ротора. Таким образом, ротор делит полость на несколько рабочих камер, объем и положение которых изменяются при вращении ротора относительно статора.
Форма внешней поверхности каждой боковой стороны ротора исторически была выбрана таким образом, чтобы обеспечивалась максимально возможная степень сжатия двигателя. Это привело к созданию выгнутых наружу, дугообразных боковых сторон, симметричных относительно плоскости осевого сечения, перпендикулярно проходящей между двумя вершинами боковой стороны. Такие боковые стороны образуют мелкие карманы тарельчатой формы, расположенные по существу по центру сторон, с вогнутыми внутрь основаниями, как вблизи передней, так и вблизи задней кромок. Как и для дугообразных боковых сторон, форму, размеры и положение этих карманов обычно выбирают таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная степень сжатия двигателя.
Раскрытие изобретения
Согласно изобретению обеспечивается ротор роторного двигателя в соответствии с пунктами формулы изобретения.
Согласно первому аспекту изобретения обеспечивается ротор роторного двигателя, включающий в себя три боковые стороны, расположенные, в основном, в форме равностороннего треугольника, каждая из которых имеет переднюю кромку и заднюю кромку, причем передняя кромка по меньшей мере одной из боковых сторон ротора содержит продолговатый выступ, проходящий по всей длине боковой стороны ротора в осевом направлении.
Заявителями было обнаружено, что ротор согласно изобретению обеспечивает повышение рабочих характеристик двигателя, например, за счет увеличения мощности и снижения температуры. Такое повышение рабочих характеристик может быть объяснено повышением эффективности преобразования энергии расширения газообразных продуктов сгорания в крутящий момент. Такой механизм повышения рабочих характеристик двигателя отличается от установившейся в промышленности практики, при которой любое усовершенствование характеристик достигается, как правило, за счет повышения степени сжатия двигателя.
Предпочтительно по меньшей мере одна боковая сторона ротора имеет, в основном, выгнутый наружу профиль от выступа до задней кромки боковой стороны ротора.
Предпочтительно выступ содержит переднюю поверхность и заднюю поверхность. Предпочтительно передняя поверхность направлена наружу относительно окружного центра боковой стороны ротора, определяемого как окружное положение, равноудаленное от передней и задней поверхностей боковой стороны ротора. Предпочтительно задняя поверхность выступа направлена внутрь к окружному центру боковой стороны ротора. Поскольку на передней кромке боковой стороны ротора расположен выступ, направление задней поверхности выступа внутрь к окружному центру боковой стороны ротора приводит к тому, что перпендикуляр к поверхности заднего выступа направлен по окружности в направлении, противоположном направлению вращения ротора, чем обеспечивается эффективное преобразование энергии сжатого газа в крутящий момент ротора.
Предпочтительно передняя поверхность выступа выгнута радиально наружу. Предпочтительно радиус кривизны передней поверхности выступа по существу равен радиусу кривизны по меньшей мере одной боковой стороны ротора, расположенной рядом с его задней кромкой.
Задняя поверхность выступа может быть выполнена радиально вогнутой внутрь. Предпочтительно радиус кривизны задней поверхности выступа значительно меньше радиуса кривизны передней поверхности выступа и/или радиуса кривизны по меньшей мере одной боковой стороны ротора, расположенной рядом с его задней кромкой. Предпочтительно радиус кривизны задней поверхности выступа составляет приблизительно 0,2-9,0 мм, предпочтительно 1,0-8,0 мм, более предпочтительно 2,0-7,0 мм, или еще более предпочтительно 3,0-6,0 мм. Предпочтительно элемент поверхности задней поверхности выступа, прилегающей к его передней поверхности, является перпендикулярным к направлению, по существу противоположному направлению вращения ротора. Предпочтительно элемент поверхности задней поверхности выступа, удаленный от его передней поверхности, является перпендикулярным к направлению, являющемуся по существу радиальным, т.е. по существу перпендикулярным направлению вращения ротора. Как вариант, задняя поверхность выступа может иметь ступенчатый профиль. Предпочтительно ступенчатый профиль может иметь уменьшенные шаги.
Предпочтительно кривизна задней поверхности выступа между двумя вышеупомянутыми элементами является по существу неизменной. В предпочтительном варианте, кривизна задней поверхности выступа между двумя вышеупомянутыми элементами поверхности может увеличиваться с увеличением расстояния от передней поверхности выступа.
Как вариант, задняя поверхность выступа может быть по существу плоской. Предпочтительно направление перпендикуляра к задней поверхности выступа по существу противоположно направлению вращения ротора.
Предпочтительно ротор содержит центральное отверстие, в которое входит вал статора. Предпочтительно на внутренней поверхности данного центрального отверстия обеспечено зубчатое колесо внутреннего зацепления, а на валу статора закреплено ведущее зубчатое колесо. Предпочтительно радиус зубчатого колеса внутреннего зацепления больше радиуса ведущего зубчатого колеса, так что зубчатое колесо внутреннего зацепления выполнено с возможностью эксцентрического движения вокруг ведущего зубчатого колеса.
Предпочтительно радиальная протяженность передней кромки по меньшей мере одной боковой стороны ротора относительно центрального отверстия ротора по существу равна радиальной протяженности задней кромки по меньшей мере одной боковой стороны ротора. Таким образом, выступ в этом варианте осуществления образован частично углублением, выполненным во внешней поверхности боковой стороны ротора, и проходит по всей длине боковой стороны ротора в осевом направлении. Следует иметь в виду, что в этом варианте осуществления передняя поверхность углубления является также задней поверхностью выступа.
Предпочтительно поперечное сечение выступа является по существу постоянным.
Предпочтительно продольная ось выступа по существу параллельна направлению продольной оси ротора. Предпочтительно выступ занимает менее 30% длины по окружности боковой стороны ротора, более предпочтительно менее 10% длины по окружности боковой стороны ротора.
Предпочтительно каждая боковая сторона ротора содержит выступ, как было указано выше.
Предпочтительно ротор представляет собой ротор двигателя Ванкеля.
Согласно второму аспекту изобретения обеспечивается ротор роторного двигателя, включающий в себя три боковые стороны, расположенные, в основном, в форме равностороннего треугольника, каждая из которых имеет переднюю кромку и заднюю кромку, причем по меньшей мере одна боковая сторона ротора содержит полость, имеющую переднюю кромку и заднюю кромку, часть основания полости, расположенная рядом с задней кромкой, выполнена выгнутой наружу.
Заявителями было обнаружено, что ротор согласно второму варианту осуществления изобретения обеспечивает повышение рабочих характеристик двигателя, на котором установлен данный ротор, например, за счет увеличения мощности и снижения температуры. Такое повышение рабочих характеристик может быть объяснено повышением эффективности преобразования энергии расширения газообразных продуктов сгорания в крутящий момент.
Предпочтительно радиус кривизны части основания полости, расположенной рядом с ее задней кромкой, составляет от 170 мм до 150 мм, более предпочтительно приблизительно 150 мм.
Предпочтительно на задней кромке полости основание полости плавно переходит в боковую сторону ротора. Предпочтительно переход между основанием и задней кромкой полости происходит по касательной.
Часть основания, расположенная рядом с передней кромкой полости, может быть по существу плоской.
В качестве варианта, часть основания, расположенная рядом с передней кромкой полости, может быть выполнена радиально вогнутой внутрь. В этом варианте осуществления радиус кривизны части основания, расположенной рядом с передней кромкой полости, предпочтительно значительно меньше радиуса кривизны части основания, расположенной рядом с задней кромкой полости.
В другом альтернативном варианте осуществления изобретения часть основания, расположенная рядом с передней кромкой полости, может быть выполнена выгнутой радиально наружу относительно центра кривизны, смещенного от центра кривизны части основания, расположенного рядом с задней кромкой полости, таким образом, чтобы образовывалась продольная впадина, ограниченная выпуклыми боковыми стенками.
Предпочтительно полость занимает от 80% до 95% длины в осевом направлении боковой стороны ротора и расположена по существу в центре в осевом направлении.
По меньшей мере одна боковая сторона ротора может содержать дополнительное углубление, включающее в себя первую часть, выполненную в основании первой полости, и вторую часть, выполненную в боковой стороне ротора.
Предпочтительно каждая боковая сторона ротора содержит полость, аналогичную описанной выше.
Предпочтительно ротор является ротором двигателя Ванкеля.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 - ротор роторного двигателя согласно варианту осуществления изобретения, вид в разрезе;
на фиг. 2 - ротор роторного двигателя, показанный на фиг. 1, вид в разрезе;
на фиг. 3 - ротор роторного двигателя согласно второму варианту осуществления изобретения, вид в перспективе;
на фиг. 4 - ротор роторного двигателя согласно третьему варианту осуществления изобретения, вид в перспективе;
на фиг. 5 - ротор роторного двигателя согласно четвертому варианту осуществления изобретения, вид в перспективе; и
на фиг. 6 - ротор роторного двигателя согласно пятому варианту осуществления изобретения, вид в перспективе.
Варианты осуществления изобретения
На фиг. 1 и 2 показан ротор 10, 20 роторного двигателя согласно первому варианту осуществления изобретения.
Ротор 10 содержит корпус, образованный тремя боковыми сторонами 12, расположенными в целом в форме равностороннего треугольника.
Корпус ротора может содержать или выполнен из чугуна, алюминия, алюминиевого, никель-титанового или кобальтового сплава. Предпочтительно корпус ротора выполняют из чугуна.
Корпус ротора может быть изготовлен посредством литья, механической обработки заготовки, спекания или технологией послойной печати. Технология послойной печати включает в себя так называемую объемную печать. Предпочтительно корпус ротора выполнен в виде цельной детали из чугуна посредством литья.
Каждая боковая сторона 12 содержит внешнюю поверхность, направленную радиально наружу, внутреннюю поверхность 14, направленную радиально внутрь, а также первую и вторую аксиально направленные боковые поверхности. Каждая боковая сторона 12 содержит переднюю кромку 16 и заднюю кромку, определяемые относительно направления вращения боковой стороны 12 (показаны на верхней боковой стороне 12 ротора только на фиг. 1).
На внешней поверхности каждой боковой стороны 12 выполнено углубление 18. Это углубление 18 проходит от задней кромки соответствующей боковой стороны 12 приблизительно до 95% окружной длины соответствующей боковой стороны 12. Предполагается, что каждая боковая сторона 12 может содержать углубление 18. Углубление 18 содержит переднюю поверхность и заднюю поверхность, определяемые относительно направления вращения боковой стороны 12. Передняя поверхность углубления 18 вогнута внутрь и имеет радиус кривизны приблизительно 0,2-9,0 мм, предпочтительно 1,0-8,0 мм, более предпочтительно 2,0-7,0 мм, или еще более предпочтительно 3,0-6,0 мм. Задняя поверхность углубления 18 выгнута наружу и имеет радиус кривизны на порядок больше радиуса кривизны передней поверхности, например, приблизительно 150 мм. Однако радиус кривизны может изменяться в направлении по окружности по соответствующей боковой стороне 12. В частности, радиус кривизны может увеличиваться по направлению к задней кромке соответствующей боковой стороны 12. В показанном варианте изогнутая внутрь передняя поверхность переходит в изогнутую наружу заднюю поверхность, таким образом, что данные поверхности образуют единую поверхность с изменяющейся кривизной. Аксиально углубление 18 проходит по всей длине соответствующей боковой стороны 12 в осевом направлении. Таким образом, на передней кромке 16 соответствующей боковой стороны 12 образован продолговатый выступ, проходящий по всей длине соответствующей боковой стороны 12 в осевом направлении. Предполагается, что каждая боковая сторона 12 может содержать выступ. Продольная ось выступа по существу параллельна осевому направлению боковой стороны 12, и поперечное сечение выступа относительно этой оси является по существу неизменным по всей длине выступа. Предполагается, что выступ может иметь форму, при которой направление, перпендикулярное задней поверхности выступа, по существу противоположно направлению вращения ротора.
Выступ содержит переднюю поверхность 22 и заднюю поверхность, определяемые относительно направления вращения боковой стороны 12. Передняя поверхность 22 выступа выгнута наружу, и радиус кривизны этой поверхности 22 по существу равен радиусу кривизны задней поверхности углубления 18. Задняя поверхность выступа образована передней поверхностью углубления 18, и, таким образом, вогнута внутрь. Центр кривизны задней поверхности выступа расположен с отклонением внутрь от поверхности относительно средней точки по окружности боковой стороны 12. Соответственно, направленная по окружности составляющая вектора нормали к задней поверхности выступа направлена в направлении, противоположном направлению вращения ротора 10. Точное направление перпендикуляра к задней поверхности выступа зависит от рассматриваемого элемента поверхности, принимая во внимание изогнутый внутрь профиль поверхности, элементы поверхности, расположенные рядом с передней поверхностью 22 выступа, составляющая вектора по окружности которых больше, чем у элементов поверхности, расположенных на удалении от передней поверхности 22 выступа.
Внутренняя поверхность 14 каждой боковой стороны 12 содержит локальный участок, расположенный на средней точке боковой стороны 12, причем локальные участки частично образуют локальное отверстие. Внутренняя поверхность 14 каждой боковой стороны 12 дополнительно содержит части каналов охлаждения, расположенные на каждом конце боковой стороны 12. Части каналов охлаждения совместно образуют три канала охлаждения, проходящие в осевом направлении по ротору 10 в области каждой вершины 10 ротора. Каждый соответствующий канал охлаждения представляет собой элемент цилиндрической формы и имеет ребра охлаждения, предназначенные для увеличения площади поверхности указанного канала охлаждения. В альтернативном варианте (не показан), в котором ротор не охлаждается воздухом, каналы воздушного охлаждения и другие соответствующие элементы отсутствуют.
Боковые поверхности 12а, 12b каждой из боковых сторон 12 содержат соответствующие карманы полос уплотнения, предназначенные для приема соответствующих полос уплотнения. Дополнительные карманы полос уплотнения выполнены на вершинах ротора каждой из боковых сторон 12, и эти карманы полос уплотнения предназначены для размещения в них соответствующих осевых полос уплотнения (не показаны).
В локальном отверстии обеспечена вставка, соединенная с боковыми сторонами 12 ротора посредством крепежных стержней (не показаны), проходящих сквозь соответствующие крепежные гнезда (не показаны), выполненные в боковой стороне 12 и вставке. Вставка выполнена в виде кованой детали из соответствующей подшипниковой стали или из прутка из подшипниковой стали. Вставка закрывает по окружности каналы охлаждения на внутренней поверхности 14 боковой стороны 12, образуя охлаждающие желобки 32, которые проходят по всей длине ротора 10 в осевом направлении. Эти охлаждающие желобки 34 позволяют потоку воздуха проходить сквозь ротор 10, обеспечивая охлаждение двигателя.
Вставка содержит опорный элемент и делительное зубчатое колесо. Делительное зубчатое колесо представляет собой механически обработанное зубчатое колесо внутреннего зацепления, предназначенное для эксцентричного вращения относительно центрального ведущего зубчатого колеса (не показано) статора (не показан). Длина зубчатого колеса внутреннего зацепления в осевом направлении меньше полной длины корпуса ротора в осевом направлении, и зубчатое колесо внутреннего зацепления расположено на одном из концов ротора 10 в осевом направлении.
Ротор 10 установлен в полости (не показана) статора (не показан) на эксцентричной шейке приводного вала (не показана). Данная полость образована двухдольным эпитрохоидальным отверстием, с обоих концов закрытым концевыми пластинами (не показаны). Зубчатое колесо внутреннего зацепления входит в зацепление с неподвижным центральным ведущим зубчатым колесом планетарным образом за 1/3 оборота приводного вала. Формы 10 ротора и стенок полости таковы, при вращении ротора 10 образуются рабочие камеры; на стенках полости обеспечены входное и выходное отверстия (не показаны), соответственно, для входа воздуха и выхода выхлопных газов. Во время работы, каждая боковая полоса уплотнения образует уплотнение между внутренней поверхностью 14 корпуса ротора и стенками полости статора (не показан). Аналогичным образом, каждая осевая полоса уплотнения образует уплотнение между соответствующей вершиной боковой стороны 12 ротора и стенками полости, разделяя полость на несколько рабочих камер.
В отдельно взятой рабочей камере расширение находящегося в ней газа создает давление, действующее на внешнюю поверхность соответствующей боковой стороны 12.
Это давление газа, возникающее за счет его расширения, создает крутящий момент, действующий по всей длине окружности боковой стороны 12. Однако эффективность преобразования энергии расширения газа в крутящий момент на задней поверхности выступа значительно выше, чем на остальной части внешней поверхности боковой стороны 12, за счет направления векторной поверхности задней поверхности выступа. Таким образом, выступ создает значительный вклад в общую эффективность преобразования энергии давления газа в крутящий момент, без какого-либо значительного снижения степени сжатия двигателя.
На фиг. 3 показан второй вариант согласно изобретению. Конструкция ротора 30 согласно этому варианту осуществления аналогична конструкции ротора 10 согласно первому варианту со следующими изменениями. Одинаковые и аналогичные элементы указаны одинаковыми ссылочными обозначениями.
В данном варианте осуществления передняя поверхность углубления 18, и, таким образом, задняя поверхность выступа, является не вогнутой внутрь, а по существу плоской. Направление перпендикуляра к поверхности по существу противоположно направлению вращения ротора 10. Таким образом, поверхность оптимально приспособлена для преобразования энергии расширения продуктов сгорания в крутящий момент.
В альтернативном варианте (не показан), направление перпендикуляра к поверхности может не быть по существу противоположным направлению вращения ротора 10: при условии, что окружная составляющая перпендикуляра к поверхности противоположна направлению вращения ротора 10, выступ будет обеспечивать повышенную эффективность преобразования энергии расширения продуктов сгорания в крутящий момент. Этот альтернативный вариант, однако, не будет обеспечивать такое же повышение эффективности преобразования энергии расширения газа в крутящий момент, как вариант, показанный на фиг. 3.
На фиг. 4 показан третий вариант согласно изобретению. Конструкция ротора 40 согласно этому варианту аналогична конструкции ротора 10 по первому и второму вариантам со следующими изменениями. Одинаковые и аналогичные элементы указаны одинаковыми ссылочными обозначениями.
В данном варианте углубление 18 проходит приблизительно на 75% длины по окружности соответствующей боковой стороны 12. Углубление 18 расположено по направлению к передней кромке 36 боковой стороны ротора, но отделено от нее так, что углубление 18 ограничено передней кромкой 16 боковой стороны ротора.
Углубление 18 выполнено во внешней поверхности 42 каждой боковой стороны 12, но не простирается на всю длину в осевом направлении соответствующей боковой стороны 12. Вместо этого, углубление 18 проходит приблизительно на 90% длины в осевом направлении боковой стороны ротора и расположено в центре в осевом направлении. В отличие от вариантов, показанных на фиг. 1-3, внешняя поверхность 42 каждой боковой стороны 12, таким образом, не содержит выступа. Кроме того, в отличие от вариантов, показанных на фиг. 1-3, углубление, таким образом, полностью ограничено своими осевыми и окружными кромками и образует полость с основанием и боковыми стенками.
Боковые стенки по существу плоские, перпендикуляр к боковым стенкам по существу совпадает с осевым направлением. В альтернативном варианте (не показан), боковые стенки имеют радиус кривизны, составляющий предпочтительно 0,2-9,0 мм.
В отличие от варианта, показанного на фиг. 1 и 2, основание углубления 18 содержит переднюю поверхность и заднюю поверхность, определяемые относительно направления вращения боковой стороны 12. Передняя поверхность углубления 18 вогнута внутрь и имеет радиус кривизны приблизительно 0,2-9,0 мм, предпочтительно 1,0-8,0 мм, более предпочтительно 2,0-7,0 мм, или еще более предпочтительно 3,0-6,0 мм. Задняя поверхность углубления выгнута наружу и имеет радиус кривизны на порядок больше радиуса кривизны передней поверхности, например, приблизительно 150 мм. Однако радиус кривизны может изменяться в направлении по окружности по соответствующей боковой стороне 12. В частности, радиус кривизны может увеличиваться по направлению к задней кромке соответствующей боковой стороны 12. В показанном варианте изогнутая внутрь передняя поверхность переходит в изогнутую наружу заднюю поверхность таким образом, что данные поверхности образуют единую поверхность с изменяющейся кривизной. Кроме того, задняя поверхность основания углубления 18 плавно переходит во внешнюю поверхность 42 боковой стороны 12 на задней кромке углубления 18.
На фиг. 5 показан пятый возможный вариант согласно изобретению. Конструкция ротора 50 согласно этому варианту аналогична конструкции ротора 40 согласно третьему варианту со следующими изменениями. Одинаковые и аналогичные элементы указаны одинаковыми ссылочными обозначениями.
В этом варианте углубления 18 во внешних поверхностях боковых сторон 12 по существу идентичны углублениям 18 в варианте, показанном на фиг. 4, за исключением того, что на каждой боковой стороне 12 ротора обеспечено дополнительное углубление 52. Это дополнительное углубление 52 содержит первую часть 52а, имеющую в целом скругленную прямоугольную форму, и вторую часть 52b, форма которой похожа на форму совковой лопаты. Первая часть 52а охватывает основание углубления 18 и боковой стороны 12, а вторая часть сформирована только на боковой стороне 12.
В роторе 60 согласно альтернативному варианту, показанному на фиг. 6, боковая сторона 12 ротора, показанная на фиг, может также иметь дополнительное углубление 52, как описано для четвертого варианта.
В еще одном возможном альтернативном варианте (не показан) передняя поверхность углубления может быть по существу плоской, например, углубление может иметь форму поперечного сечения, аналогичную форме поперечного сечения углубления 18, показанного на фиг. 3.