ГАЗОРОТОРНЫЙ ПРИВОД
GAS-ROTOR DRIVE

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 термодинамическим циклом подвода тепла при постоянном объеме.
Газороторный привод относится к классу роторных машин объемного типа. Рабочим телом устройства может быть любое газообразное вещество с повышенным давлением, например сжатый воздух, топливовоздушная смесь и др.
Известна роторная машина (патент РФ №2135778, F01C 1/08, опубл. 27.08.1999 г.), 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.
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 участвует в передаче механической энергии от рабочего тела при расширении только один ротор, что потребует увеличения габаритно-массовых характеристик.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству относится газороторный привод (патент США №3472445 A, 14.10.1969, F01C 1/12), 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.
Недостатками известной конструкции является то, что подвод/отвод рабочего тела высокого давления также 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.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности работы газороторного привода, а также упрощение его конструкции и технологичности.
Заявленный технический результат достигается тем, что в газороторном приводе, включающем корпус, в расточках которого, образованных пересекающимися цилиндрическими поверхностями, размещены два ротора, установленные относительно цилиндрических стенок корпуса с образованием кольцевых каналов, связанных между собой, а также каналы подвода и канал отвода рабочего тела, выполненные в виде патрубков, при этом 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, по меньшей мере, один из роторов выполнен с теплообменными внутренними каналами и прорезью и установлен на неподвижном полом цилиндрическом коллекторе, имеющем в своей стенке прорезь для совмещения с прорезью упомянутого ротора в процессе вращения последнего, причем теплообменные каналы соединены с одним из каналов подвода рабочего тела и с внутренней полостью цилиндрического коллектора, при этом привод содержит дополнительный ротор с выемкой, который установлен в расточке корпуса и выполнен с возможностью регулирования подвода рабочего тела к кольцевым каналам.
Установка в корпусе третьего ротора с профилированной продольной выемкой, выполняющего роль золотникового клапана, обеспечивает подачу рабочего тела высокого давления от входного патрубка в межлопаточный рабочий объем впуска.
Конструктивное выполнение заявленного газороторного привода позволяет увеличить общий рабочий объем устройства. В отличие от известных решений, в заявленном приводе образованные кольцевые каналы обеих роторов задействованы в преобразовании потенциальной энергии рабочего тела высокого давления в механическую работу при его расширении, что обеспечивает устройству более высокие удельные энергетические характеристики. Кроме того, оба ротора обеспечивают передачу механической энергии приводимым механизмам (потребителям).
Выполнение, по меньшей мере, одного из рабочих роторов полым, установленным на неподвижный полый цилиндр, с продольной прорезью в стенке и внутренними теплообменными каналами, сообщенными с внутренней полостью неподвижного полого цилиндра, имеющего также, как и ротор, продольную прорезь в стенке, что позволяет более эффективно использовать внутренний объем устройства (газороторного привода), значительно снизить гидравлические потери при заполнении межлопаточного кольцевого канала рабочим телом и обеспечить охлаждение ротора, что повышает эффективность устройства. Кроме этого впуск рабочего тела в межлопаточный объем впуска двумя потоками позволяет значительно уменьшить время его заполнения.
Таким образом, заявленное конструктивное выполнение элементов устройства и указанная связь между ними позволяют:
- увеличить рабочий объем устройства за счет более рационального использования внутренних полостей его элементов конструкции;
- увеличить расход и снизить гидравлические потери при впуске рабочего тела за счет увеличения площади впускных продольных каналов: в неподвижном полом цилиндре, в роторе с теплообменными внутренними каналами и корпусе устройства, в профилированной выемке третьего ротора, выполняющего роль золотникового клапана;
- улучшить массово-габаритные характеристики роторной машины за счет конструктивных особенностей, обеспечивающих возможность подвода к рабочему телу тепла с целью повышения его энергоемкости (увеличение температуры и давления) без применения дополнительных для этих целей конструктивных элементов, прежде всего компрессоров и др.
Изобретение поясняется чертежом, где представлен поперечный разрез газоротного привода.
Роторная машина содержит корпус 1, в расточках которого, образованных тремя пересекающимися цилиндрическими поверхностями, размещены роторы 2, 3 и 4, кинематически связанные между собой (их связь условно не показана).
Роторы 2 и 3 (рабочие роторы) установлены с зазором относительно цилиндрических стенок корпуса 1, образуя связанные между собой кольцевые рабочие каналы 5 и 6. Каждый из роторов 2 и 3 оснащен перекрывающими рабочие каналы 5 и 6 элементами - профилированными лопастями 7 и 8 для разделения соответствующих кольцевых каналов 5 и 6 на рабочую зону 9 расширения рабочего тела и зону 10 выхлопа (выталкивания) отработанного рабочего тела. Каждый из роторов 2 и 3 также имеет, соответственно, выемки 11 и 12, выполненные в виде ответных углублений, соответствующих лопастям соседнего ротора. Профили лопастей 7 и 8 с поверхностями выемок 11 и 12 являются сопряженными поверхностями, обеспечивающими взаимное вращение роторов 2 и 3. Плотность между роторами 2 и 3 достигается за счет плотного зацепления путем трения качения с поддержанием минимально возможного зазора, обеспечивающего требуемую герметичность подвижного их соединения.
Профили внутренних поверхностей корпуса 1 и сопрягаемые с ними поверхности лопастей роторов 2 и 3 (выступающие элементы) выполнены таким образом, что зазоры между указанными поверхностями могут быть нулевыми или близкими к нулю, что практически исключает возможность перетекание рабочего тела из объемов зоны 9 расширения в зону 10 выхлопа. Кроме того, конструкция элементов составных частей устройства приспособлена к использованию известных способов обеспечения герметичности подвижных соединений, чем обеспечиваются приемлемые герметичность соединений и потери на трение при взаимодействии указанных поверхностей.
По меньшей мере, один из роторов, например ротор 2, выполнен в виде пустотелого цилиндра с продольной прорезью 13 и установлен на неподвижном полом цилиндрическом коллекторе 14, имеющем в своей стенке продольную прорезь 15 для совмещения с прорезью 13 в процессе вращения ротора 2. Кроме того, для охлаждения рабочего ротора 2 последний выполнен с внутренними теплообменными каналами 17, вход которых соединен с патрубком подвода рабочего тела высокого давления (условно не показан). Охлаждение ротора 2 обеспечивается рабочим телом за счет использования его хладоресурса. Выход из каналов 17 соединен с внутренним объемом 16 цилиндрического коллектора 14 через продольную прорезь 15 и далее через прорезь 13 с рабочей зоной расширения 9.
Газороторный привод снабжен также вторым патрубком 18 подвода рабочего тела высокого давления, а ротор 4, выполняющий роль золотникового клапана, содержит профилированную продольную выемку 19. В расточке корпуса 1 выполнен канал в виде продольного окна 20 для сообщения патрубка 18 с зоной 9.
В расточке корпуса 1 выполнен также канал в виде продольного окна 21 для сообщения зоны выталкивания (выхлопа) 10 каналов 5 и 6 с патрубком 22 отвода рабочего тела низкого давления газороторного привода.
Система подачи топлива и зажигания условно не показаны.
Увеличение давления и температуры рабочего тела в устройстве достигается за счет подвода тепла к топливовоздушной смеси в изолированном межлопаточном объеме впуска практически при постоянном объеме (Цикл при V=const). Изолированный межлопаточный объем впуска (объемом зоны 9 расширения) для обеспечения подвода к рабочему телу тепла используется в качестве камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания.
Для уравновешения действия центробежных и газовых сил, действующих на элементы конструкции роторов 2, 3, и увеличения крутящего момента устройства привод может включать две и более описанных выше секций, установленных относительно друг друга под равными углами и др.
Работа газороторного привода осуществляется следующим образом.
В течение работы устройства рабочее тело с повышенным давлением постоянно поступает в патрубок 18 и во внутренние теплообменные каналы 17, откуда периодически поступает в зону 9.
В течение работы устройства рабочее тело с повышенным давлением периодически подают в зону 9 одновременно двумя параллельными путями (потоками):
- через внутренние теплообменные каналы 17, через патрубок подвода рабочего тела высокого давления (условно не показан) во внутренний объем 16 цилиндрического коллектора 14, откуда поступает через продольную прорезь 15 и совмещаемую с ней в процессе вращения ротора 2 прорезь 13 в зону 9;
- от патрубка 18 подвода рабочего тела через профилированную продольную выемку 19 ротора 4, выполняющего роль золотникового клапана, и через продольное окно - канал 20, выполненный в виде продольного окна в расточке корпуса 1 к зоне 9.
После наполнения рабочего объема зоны 9 свежим зарядом рабочего тела начинается процесс его расширения (такт расширения).
После поворота роторов 2 и 3 (при их вращении в противоположных направлениях) на определенном угле зона 9 изолируется от патрубка 18 подвода рабочего тела высокого давления (с помощью закрытой профилированной выемки 19 ротора 4) и от внутреннего объема 16 цилиндрического коллектора 14 (с помощью взаимно перекрытых продольных прорезей 13 и 15). При использовании в качестве свежего рабочего тела топливовоздушной смеси после наполнения объемов зоны 9 (соответствующих максимальному изолированному объему впуска или объему объединенной камеры сгорания) осуществляют ее воспламенение. После воспламенения топливовоздушной смеси в изолированном объеме зоны 9 (или объединенной камере сгорания) при V=const и повышения рабочего давления происходит процесс расширения рабочих газов, обеспечивая относительное вращательное перемещение в противоположных направлениях роторов 2 и 3.
За счет разности давлений, действующих на противоположные поверхности лопастей 7 и 8 соответствующих роторов 2 и 3, создается крутящий момент, под действием которого происходит их вращение в противоположных направлениях (на чертеже ротор 2 вращается против часовой стрелки, а ротор 3 - по часовой стрелке). Давление в зоне 9 многократно больше по сравнению с давлением в зоне 10.
Зона 10 кольцевых рабочих каналов 5 и 6 сообщена через продольное окно (канал) 21 с патрубком 22 отвода рабочего тела низкого давления.
Процесс расширения рабочего тела в зоне 9 происходит до момента совмещения внешних кромок лопастей 7 и 8 с продольным окном (каналом) 21.
После завершения процесса расширения рабочего тела в зоне 9 до его начала в очередном цикле происходит продувка и заполнение внутреннего объема 16 цилиндрического коллектора 14 рабочим телом по второму потоку после использования его в качестве охладителя элементов ротора 2.
При повороте роторов 2 и 3 на определенном угле начинается наполнение зоны 9 свежим зарядом рабочего тела. При этом зона 9 соединяется:
- по первому потоку - с патрубком подвода рабочего тела высокого давления 18 через открытую профилированную выемку 19 ротора 4;
- по второму потоку - с внутренним объемом 16 цилиндрического коллектора 14 через открытые и совмещенные продольные прорези 13 и 15.
И далее аналогично начинается повторный (очередной) цикл работы устройства.
Таким образом, заявленный газороторный привод обеспечивает более эффективное по сравнению с известными аналогами преобразование потенциальной энергии рабочего тела высокого давления в механическую работу, в том числе увеличение КПД, улучшение удельных массовых и габаритных показателей, а также повышает его быстродействие.