устройство радиального уплотнения роторно-поршневой машины

Формула изобретения

1. Устройство радиального уплотнения роторно-поршневой машины, содержащее уплотнительную пластину, установленную в пазу поршня с возможностью радиального перемещения, и шарнирно-рычажный механизм, который установлен внутри поршня и состоит из двух частей, шарнирно связанных с соответствующими концами уплотнительной пластины, и включает двуплечие рычаги, шатун и груз, отличающееся тем, что механизм дополнительно снабжен вторым грузом и ползуном с направляющими, установленными в поршне, в роторе выполнена проточка с плоскими боковыми стенками, а уплотнительная пластина выполнена упругой с возможностью изменения формы в радиальной плоскости и сопряжения соответственно ее внешней поверхности с поверхностью рабочего цилиндра, внутренней и боковых поверхностей с поверхностью паза в поршне, а также боковых ее поверхностей с боковыми стенками проточки в роторе, причем двуплечий рычаг первой части шарнирно-рычажного механизма одним плечом жестко связан с одним из грузов, а другим с уплотнительной пластиной, второй двуплечий рычаг второй части шарнирно-рычажного механизма одним плечом жестко связан с грузом, а другим шарнирно, но через последовательно шарнирно соединенные шатун и ползун с уплотнительной пластиной.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено качающейся опорой.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что вторая часть шарнирно-рычажного механизма установлена шарнирно на качающейся опоре.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что уплотнительная пластина выполнена из материала с эффектом памяти формы.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что уплотнительная пластина выполнена биметаллической.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в роторных машинах различного назначения.

В патентной литературе широко известно устройство радиального уплотнения роторно-поршневой машины, содержащее единую уплотнительную пластину, установленную в пазу поршня с возможностью радиального перемещения, и рычажно-ползунный механизм управления и компенсации центробежных сил с двумя грузами и рычагами, шарнирно установленными в поршне, один из которых установлен на качающейся опоре (заявка ФРГ N 2437263, кл. F 01 C 19/00, опубл. 1974). Основным недостатком указанной конструкции устройства уплотнения является то, что механизм управления кинематически связан с выступом на уплотнительной пластине, что приводит к возможности ее осевого перемещения и перекоса в пазу поршня. Кинематическая связь механизма и уплотнительной пластины, выполненная посредством ползунов, не сопряженных с поверхностью паза в выступе, приводит к очень высоким контактным напряжениям в указанной кинематической связи. Таким образом, указанные явления будут причиной ненадежного уплотнения зазора между уплотнительной пластиной и поверхностью рабочего цилиндра, малой долговечности и надежности уплотнения.

Известно устройство радиального уплотнения роторно-поршневой машины, содержащее единую уплотнительную пластину, установленную в пазу поршня с возможностью радиального перемещения, и шарнирно-рычажный механизм управления и компенсации центробежных сил, причем механизм установлен внутри поршня и состоит из двух частей, шарнирно связанных с соответствующими концами уплотнительной пластины, и включает двуплечие рычаги, по меньшей мере, один шатун и груз ( патент Великобритании N 1208430, кл. F 01 C 19/00, опубл. 1977). Данное устройство является наиболее близким по техническому существу и предложенному устройству и выбрано в качестве прототипа. Основным недостатком известного устройства уплотнения является возможность осевого перемещения уплотнительной пластины в пазу поршня и ее кинематическая связь с механизмом управления и компенсации центробежных сил, осуществляемая посредством шатунов, которые совместно приведут к возможности ее перекоса и нарушения уплотнения или увеличению зазора между уплотнительной пластиной и поверхностью рабочего цилиндра. Синхронное же перемещение обоих концов пластины под действием единственного груза осуществить практически невозможно, из-за того, что невозможно выполнить одинаковыми все детали обеих частей механизма. Для устранения указанного недостатка необходимо введение дополнительных средств упругого поджатия обоих концов пластины, направляющих поверхностей или выполнить рабочий цилиндр строго цилиндрическим с кольцевой камерой. Другие его формы в этом случае неприемлемы. В известном устройстве необходимо введение упругих средств для поджатия уплотнительной пластины к поверхности рабочего цилиндра при пуске и работе на малых оборотах. Указанные недостатки приведут или к недостаточно надежной работе устройства уплотнения, или к его неоправданному усложнению, что также ограничит область его использования.

Технической задачей изобретения является повышение надежности и работоспособности радиальных уплотнений и расширение области их использования.

Технический результат достигается тем, что устройство радиального уплотнения роторно-поршневой машины содержит единую уплотнительную пластину, установленную в пазу поршня с возможностью радиального перемещения, и шарнирно-рычажный механизм управления и компенсации центробежных сил. Причем механизм установлен внутри поршня и состоит из двух частей, шарнирно связанных с соответствующими концами уплотнительной пластины, и включает двуплечие рычаги, шатун и груз. Механизм дополнительно снабжен вторым грузом и ползуном с направляющими, установленными в поршне. В роторе выполнена проточка с плоскими боковыми стенками, а уплотнительная пластина упругой с возможностью изменения формы в радиальной плоскости и сопряжения ее внешней поверхности соответственно с поверхностью рабочего цилиндра, внутренней и боковых поверхностей с поверхностью паза в поршне, а также боковых ее поверхностей с боковыми стенками проточки в роторе. Двуплечий рычаг первой части шарнирно-рычажного механизма одним своим плечом жестко связан с одним из грузов, а другим с уплотнительной пластиной. Второй двуплечий рычаг второй части шарнирно-рычажного механизма одним своим плечом жестко связан с грузом, а другим, шарнирно через последовательно шарнирно соединенные шатун и ползун с уплотнительной пластиной.

Указанное выполнение устройства радиального уплотнения роторно-поршневой машины позволяет повысить надежность уплотнения и расширить область его применения, путем использования его в машинах с произвольным выпуклым продольным сечением рабочего цилиндра, например, торообразным или со сферической его поверхностью. Выполнение уплотнительной пластины упругой с возможностью изменения ее формы в радиальной плоскости позволяет упростить конструкцию механизма путем исключения упругих средств поджатия пластины к поверхности рабочего цилиндра, и повысить ее адаптивные способности по отношению к сопряженным с нею поверхностям.

Устройство уплотнения может быть дополнительно снабжено качающейся опорой, а первая часть шарнирно-рычажного механизма при этом может быть установлена шарнирно на качающейся опоре. Такое выполнение механизма позволяет повысить адаптивные возможности сопряжения уплотнительной пластины с поверхностью рабочего цилиндра и пазов в поршне, не ухудшая при этом условий сопряжения и уплотнения, которые достигаются путем самоцентрирования сопрягаемых поверхностей.

Устройство уплотнения может иметь уплотнительную пластину, выполненную из материала с эффектом памяти формы или биметаллической. Такое выполнение позволяет снизить нагрузки на уплотнительную пластину в том или ином режиме ее работы вследствие снижения ее упругих деформаций, необходимых для ее работы в заданных условиях.

На фиг.1 показана часть разреза по одному из поршней поршневой машины с установленным в нем устройством уплотнения, работающим в режиме малых оборотов.

На фиг.2 то же в режиме номинальных оборотов.

Устройство радиального уплотнения роторно-поршневой машины содержит единую уплотнительную пластину 1, установленную в пазу 2 поршня 3 с возможностью радиального перемещения. Уплотнительная пластина 1 установлена в пазу 2 с возможностью перемещения в радиальной плоскости относительно центра симметрии 4 сечений поршней 3, которые могут быть выполнены в виде полукруга (рабочая камера при этом будет сферической, как это показано на фиг.1 и 2, а поршни в виде шаровых сегментов), окружности (рабочая камера при этом будет торообразной, а поршни в виде части тора) или иной выпуклой геометрической фигуры (рабочая камера и поршни при этом будут в виде соответствующей фигуры вращения и ее части, сопряженной с поверхностью 5 рабочего цилиндра 6 роторно-поршневой машины).

Шарнирно-рычажный механизм 7 управления работой уплотнительной пластины 1 и компенсации ее центробежных сил установлен внутри поршня 3 в соответствующих полостях, включает первый центробежный груз 8 и состоит из двух частей 9 и 10, шарнирно связанных с соответствующими концами уплотнительной пластины 1, и включает двуплечие рычаги 11 и 12, шатун 13.

Механизм дополнительно снабжен вторым центробежным грузом 14 и ползуном 15 с направляющими 16, установленными в поршне 3. В роторе 17 выполнена проточка 18 с плоскими боковыми стенками 19. Уплотнительная пластина 1 при этом выполняется упругой с возможностью изменения формы в радиальной плоскости, т.е. в плоскости чертежа фиг.1 и сопряжения соответственно ее внешней поверхности с поверхностью рабочего цилиндра 6, внутренней и боковых поверхностей с поверхностью паза 2 в поршне 3, а также боковых ее поверхностей с боковыми стенками 19 проточки 18 в роторе 17. Двуплечий рычаг 11 первой части 9 шарнирно-рычажного механизма одним своим плечом жестко связан с первым грузом 8, а другим шарнирно с уплотнительной пластиной. Второй двуплечий рычаг 12 второй части 10 шарнирно-рычажного механизма одним своим плечом жестко связан со вторым грузом 14, а другим шарнирно через последовательно шарнирно соединенные шатун 13 и ползун 15 с уплотнительной пластиной 1.

Уплотнение может быть дополнительно снабжено качающейся опорой 20, а первая часть 9 шарнирно-рычажного механизма 7 установлена шарнирно на этой качающейся опоре 20.

В предложенном уплотнении уплотнительная пластина 1 может быть выполнена из материала с эффектом памяти формы или биметаллической.

В полостях поршня 3 могут быть выполнены упоры 21 и 22, служащие для предотвращения излишних напряжений в уплотнительной пластине 1 при рабочих и максимальных оборотах ротора 17 и упоры 23 и 24, служащие для ограничение выдвижения уплотнительной пластины 1 из паза 2.

Устройство работает следующим образом.

В неработающей роторно-поршневой машине за счет упругих свойств уплотнительной пластины, находящейся в ненапряженном или незначительно деформированном состоянии, за счет ее распрямления после остановки машины, она поджата к поверхности 5 рабочего цилиндра 6. Грузы 8 и 14, расположенные в вертикальной плоскости, под действием силы тяжести также поджимают уплотнительную пластину 1 к поверхности 5 рабочего цилиндра 6, компенсируя при этом силу тяжести самой пластины 1.

В случае выполнения уплотнительной пластины 1 упругой ее дальнейшая работа осуществляется следующим образом.

После начала движения ротора 17 уплотнительная пластина 1 под действием центробежной силы, действующей на нее, поджимается к поверхности 5 рабочего цилиндра 6. При дальнейшем раскручивании ротора 17 грузы 8 и 14 под действием своих центробежных сил начинают отжимать уплотнительную пластину 1 от поверхности 5 рабочего цилиндра 6 и вводят ее в паз 2 поршня 3 до полного погружения в него и постановки их на соответствующие упоры 21 и 22. Далее уплотнительная пластина 1 не имеет контакта с поверхностью 5 рабочего цилиндра 6. Уплотнительное устройство в целом из-за наличия паза 2 начинает работать как динамическое лабиринтное уплотнение. Для улучшения этой работы на поверхности поршней 3 могут быть выполнены по известным правилам соответствующие канавки лабиринтного уплотнения (на чертежах не показаны). В эти канавки может подаваться уплотняющая среда (как жидкая, так и газообразная), для снижения износа смазочное масло, а для охлаждения - охлаждающий агент или же смазочно-охлаждающая жидкость.

В случае выполнения уплотнительной пластины 1 из материала с эффектом памяти формы или биметаллической она работает следующим образом.

После утапливания ее в пазу 2 поршня 3 уплотнительная пластина находится в напряженном состоянии, что должно приводить к некоторому снижению долговечности и надежности ее работы, для устранения этого нецелесообразно, чтобы по мере прогрева поршня 3 и уплотнительной пластины 1, до рабочей температуры она меняла соответствующим образом свою форму и уменьшала механические напряжения в ней. При этом уплотнительная пластина 1 должна менять свою форму так, чтобы она совпадала с соответствующими сопряженными поверхностями паза 2 в поршне 3, что достигается известными путями, например расчетом или путем эксперимента.

В результате технологических неточностей выполнения и сборки деталей устройства уплотнения и роторно поршневой машины размеры и форма сопряженных поверхностей уплотнительной пластины 1, рабочего цилиндра 6 и паза 2 поршня 3 могут иметь незначительные несовпадения, которые не могут быть скомпенсированы из-за жестко заданного закона движения концов пластины 1, определяемого траекторией движения соответствующих шарниров 25 и 26, связывающих двуплечие рычаги 8 и 14 с пластиной 1.

Указанный недостаток легко устраняется при установке качающейся опоры 20, связывающей поршень 3 и первый двуплечий рычаг 11. Качающаяся опора 20 имеет возможность незначительного осевого смещения, что приводит к улучшению адаптивных способностей уплотнительного устройства в целом путем небольших смещений уплотнительной пластины 1 и наилучшего ее совмещения с соответствующей сопряженной поверхностью. Шарнир 27 крепления качающейся опоры 20 к поршню 3 целесообразно выполнить на радиальном расстоянии меньшем, чем шарнир 28 соединения этой опоры и соответствующей части механизма. Такое выполнение устройства уплотнения повысит ее центрирующие и адаптивные свойства, т. к. центробежные силы, действующие на качающуюся опору 20, двуплечий рычаг 11 и центробежный груз 8 будут стремиться удержать ее в среднем положении близком к радиальному.

В канавках, выполненных на направляющих 16, могут быть установлены уплотнения 29, предотвращающие попадание рабочего тела или продуктов неполного сгорания топлива и износа деталей поршневой машины в полости, где расположены части шарнирно-рычажного механизма.

Все описанные кинематические соединения выполнены при помощи известных шарниров 30.

Зазоры в сопряжениях роторов и поршней, а также других деталей могут быть уплотнены известными путями с помощью известных средств. Например, с помощью аксиальных уплотнений 31.