пневматический ротационный двигатель

Формула изобретения

Пневматический ротационный двигатель, содержащий статор с крышками, ротор с выступом и замыкатель, расположенные в цилиндрических полостях статора с образованием рабочих камер и с возможностью вращения посредством шестеренного механизма синхронизации, при этом на торцевых поверхностях ротора выполнены кольцевые канавки, сообщенные посредством перепускных отверстий с каналами подвода уплотняющей жидкости, расположенными в торцевых крышках статора, а на внутренней поверхности статора в зоне размещения замыкателя выполнена профилированная расточка, отличающийся тем, что замыкатель снабжен разделительной подпружиненной пластиной с ограничителем хода, установленной в пазу замыкателя с возможностью периодического взаимодействия с наружной поверхностью ротора, выступ которого ограничен двумя плоскостями, касающимися его диаметра, расточка смещена на величину ограниченного выхода лопатки из паза замыкателя, а направление вращения ротора совпадает с направлением вращения замыкателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению а именно, к двигателям малой мощности (до 2 кВт), используемых главным образом как приводы ручных инструментов, а также как средство механизации и автоматизации производственных процессов.

Известны ротационные двигатели (см. Зеленецкий С.Б. Рябков Е.Д. Микеров А.Г. Ротационные пневматические двигатели Л. "Машиностроение" 1976, с. 240), содержащие статор с крышками, ротор с эксцентричным валом и радиальными пазами, в которых установлены подвижные лопатки. По кинематической цепи они являются модификацией поршневых кривошипно-шатунных механизмов, которые содержат большое число низших кинематических пар с неизбежным трением, износом, недолговечностью.

Кроме надежности ротационные пневматические двигатели имеют малые габариты, малую металлоемкость. Обладая этим преимуществом перед поршневыми, они не могут работать на малых оборотах, так как их конструкция не обеспечивает достаточное расширение рабочего тела, обычно сжатого воздуха, что вызывает его большой расход, сопровождаемый шумом при выхлопе. Расширение характеризуется коэффициентом расширения, который является отношением объемов рабочего хода к объему в момент заполнения камеры рабочим давлением. У ротационных двигателей эта величина ограничена значением 1,5-1,7. У поршневых эта величина значительно больше, но тоже ограничивается конструктивно длиной цилиндров, так как выигрыш от расширения перекрывается потерями в длинноходовых машинах на трение. У ротационных расширению препятствуют "мертвые" объемы, и поэтому они широко применяются для несжимаемых сред и конструктивно отработаны в виде ролико-лопастных или эксцентрико-шайбовых гидравлических двигателей. Такие двигатели содержит статор с полостью, закрытой по торцам двумя крышками, в котором размещается круглый ротор с выступом и замыкатель с вырезом для прохода через него выступа при их синхронизированном шестернями вращения и образованию рабочих камер давления, при этом на торцевых поверхностях ротора выполнены кольцевые канавки, сообщенные посредством перепускных отверстий с каналами подвода уплотняющей жидкости.

Наиболее близкой по конструктивному решению предлагаемого устройства является ролико-лопастная машина (SV, N 1613685, кл. F 04 C 2/08, 1990).

Для сжимаемых рабочих сред такие двигатели непригодны ввиду наличия большого "мертвого" объема в полости замыкателя при конструктивном решении, когда замыкатель с ротором вращаются в разные стороны.

Технической задачей является повышение коэффициента расширения, что позволяет уменьшить шум выхлопа, снизить рабочие обороты пневматического двигателя, сработать внутреннюю энергию сжимаемого рабочего тела вплоть до реализации термодинамических циклов Клаузиса-Ренкина (например, Юдаев Б.Н. "Техническая термодинамика. Теплопередача", М. Высшая школа, 198, с. 479), когда становится возможным перевод рабочего тела в жидкую фазу и подпитка подогревателя с высоким давлением объемным насосом с малой затратой мощности, для чего предлагается новое устройство, предназначенное повысить высвобождение внутренней энергии сжимаемого рабочего тела за счет увеличения его расширения.

Технический результат достигается тем, что пневматический ротационный двигатель содержит статор с крышками, ротор с выступом и замыкатель, расположенные в цилиндрических полостях статора с образованием рабочих камер и с возможностью вращения посредством шестеренного механизма синхронизации, при этом на торцевых поверхностях ротора выполнены кольцевые канавки, сообщенные посредством перепускных отверстий с каналами перевода уплотняющей жидкости, расположенными в торцевых крышках статора, а на внутренней поверхности статора в зоне размещения замыкателя выполнена профилированная расточка. Замыкатель снабжен разделительной подпружиненной пластиной (лопаткой) с ограничителем хода, установленным в пазу замыкателя с возможностью периодического взаимодействия с наружной поверхностью ротора, выступ которого ограничен двумя плоскостями, касающимися его диаметра, расточка смещена на величину ограниченного выхода лопатки из паза замыкателя, а направление вращение ротора совпадает с направлением вращением замыкателя.

Поперечный разрез устройства показан на чертеже.

Пневмодвигатель состоит из корпуса 1 с двумя подогнанными по соевому размеру герметизирующими торцевыми крышками (на чертеже в разрез не попали), в которых на радиально-упорных подшипниках установлен осевой натяг и зазоры ротора 2 и замыкателя 3 с торцевыми крышками. Для синхронизированного поворота ротора и замыкателя использованы не показанные на чертеже шестерни, обеспечивающие вращение их в одну и ту же сторону. На роторе имеется выступ 5, а на замыкателе скос для прохода при взаимном вращении выступа 5. Наружный размер выступа и диаметр расточки корпуса, а также внутренний диаметр ротора, на котором размещен выступ, и диаметр замыкателя 3 выполнен с малым зазором, обеспечивающим скольжение и гидравлическое сопротивление для уменьшения потерь рабочего тела из-за дросселирования через щели. В торцевой крышке сверлениями выполнены каналы, которые оканчиваются на внутренней поверхности крышек собранного корпуса соплами (положение их на чертеже отмечено кружечками): одна для подачи сжимаемого рабочего тела 6, другое для подачи несжимаемой (жидкой фазы) среды, заполняющей гидравлический затвор 7, кроме того имеется отвод (направление течения показано стрелкой) для отработанного рабочего тела из расточки 11. Для усиления уплотнения рабочей камеры при большом давлении в теле замыкателя выполнен паз, в котором установлены поджатые пружинами 8 для нажатия на пластины (лопатки) 4, имеющий ограничитель вылета (на чертеже не показан). Угол и место выреза в замыкателе для паза выбираются из условия минимизации объема рабочей камеры (на чертеже показана в положении окончания заполнения рабочим телом), когда отверстие канала 9 еще касается сопла с другой стороны. Пунктиром показано положение перед началом заполнения рабочей камеры, когда выскользнувшая из паза лопатка образовала камеру, а отверстие канала 9 только коснулось сопла с противоположной стороны. На чертеже также показано пунктиром положение выступа в момент, когда заканчивается первый этап расширения с удержанием компрессии лопаткой 4, которая вновь показана в момент потери контакта с ротором. Из чертежа видно из сопоставления размера рабочей камеры в последний момент контакта лопатки и момент после заполнения и отсечки питания, что на компрессионном участке расширение произошло в несколько раз. Характерные положения вращающейся плоскости 10 выступов ротора, по которой происходит уплотнение лопаткой, отмечено на поверхности цилиндра ротора римскими цифрами I-V для последовательных моментов рабочего цикла:

I утапливание выступа ротора из полости замыкателя,

II возникновение рабочей камеры после выскальзывания лопатки,

III окончание наполнения рабочей камеры и начало расширения,

IV окончание компрессионного этапа расширения,

V окончание этапа длинноходового расширения, когда становятся возможными конденсатное выпадение пара в виде жидкости и происходит окончательная разгерметизация и исчезновение камеры.

Рабочая плоскость замыкателя выступа 10 входит в полость замыкателя, освобождаемая скосом последнего и дополнительной расточкой 11, предназначенной для возврата лопатки в паз замыкателя. После прохождения выступа мимо замыкателя рабочий цикл оканчивается и начинается новый, в процессе которого тыльная сторона выступа выталкивает остатки рабочего тела от предыдущих тактов.

Проточка 12 на торце ротора по кольцу ограждает полость сопел от потерь с помощью противодавления от сопла 7, которое питает жидкой средой (жидкой фазой рабочего тела), поступающей из полости нагнетания шестеренчатого насоса, питающего нагреватель рабочего тела. Питающие каналы и нагреватель на чертеже не показаны.

Ротационный пневмодвигатель работает следующим образом.

Существенным отличием предлагаемого двигателя является по сравнению с прототипом то, что ротор и замыкатель вращаются в одну сторону. Синхронизация шестернями их совместного вращения дает возможность выступу 5 ротора 2 проходить мимо замыкателя 3, его касаясь. Рабочая камера уплотнена по плоскостям, за исключением образующей ее лопатки, которая конструктивно уплотняет аналогично имеющимся ротационным пневмодвигателям, где уплотнение достигается поджатием центробежными силами ввиду высоких оборотов. Здесь же из-за малых оборотов требуются пружины 8, которые выталкивают лопатку из паза, как только полость замыкателя 3 уходит за выступ 5 ротора 2. Потери опорной поверхности приводит к выскальзыванию лопатки из паза и перескоком на плоскость 10 выступа 5 ротора 2 и этим к образованию рабочей камеры. Именно в этот момент на торцевой поверхности касание отверстия канала 9 с кромкой сопла 6. Начинается заполнение рабочей камеры рабочим телом с высокими температурами и силовыми параметрами до тех пор пока отверстие не пройдет через сопло. Давление в рабочей камере образует движущую силу на лопатку замыкателя и на плоскость 10 выступа ротора. Обе эти силы образуют моменты, складывающиеся через шестерни синхронизации на валу двигателя. Лопатка прижимается к плоскости 10 не только пружинами, но и давлением камеры, так как движение по плоскости 10 ведет к утапливанию прижатой к пазу лопатки и силы трения добавляют силу, обеспечивающую компрессию рабочей камеры. Лопатка в этот момент выполняет роль поршневого кольца, но в отличие от него самоуплотняется, а износ лопатки не сказывается на компрессии в отличие от поршневых машин.

Объем рабочей камеры не может быть конструктивно сделан бесконечно малым, так как после ухода выступа ротора из полости замыкателя (положение I) требуется поворот для обеспечения выскальзывания лопатки. Это первая составляющая "мертвого" объема. Затем требуется поворот для заполнения рабочей камеры от касания отверстия канала (положение II) сопла 6 до его перекрытия (положение III). Это вторая составляющая. Вместе эти составляющие конструктивно могут быть достаточно малы, чтобы сработать внутреннюю энергию, например, водяного пара с высокими параметрами по температуре и давлению. Наиболее энергоемким является этап расширения при высоком давлении и температуре. Это переход из положения III в положение IV, когда внутренняя энергия тратится на поддержание давления за счет падения температуры пара. Когда ресурс температуры исчерпан, начинается падение давления. Лопатка на этом выполнена свое назначение и покидает рабочую камеру. Лопатка на этом выполнена свое назначение и покидает рабочую камеру (положение IV). Герметизация после этого нужна в меньшей степени и осуществляется лишь за счет малых зазоров между цилиндрической поверхностью замыкателя и цилиндрической поверхностью замыкателя и цилиндрической поверхностью ротора выступа. Начинается длинноходовое срабатывание энергии рабочей среды, которое в поршневых машинах не рационально из-за превальирования сил трения над получаемой полезной работой. Здесь же лопатка вообще не касается расточек корпуса и силы трения ничтожны. Таким образом на выступе ротора срабатывается скрытая энергия остывания рабочей среды вплоть до принудительного расширения и падения температуры ниже точки росы. Достаточное количество увеличения объема требует перехода в новое качество. Так продолжается, пока после сверхвозможного для других конструкций расширений рабочей среды происходит разгерметизация рабочей камеры. Выступ входит в полость среза замыкателя для прохода мимо него, чтобы затем подойти к положению 1, для начала нового цикла, во время которого тыльная сторона выступа ротора выталкивает остатки рабочего тела от предыдущего.

Для пуска или форсирования мощности двигателя устанавливаются дополнительные сопла для подвода рабочего тела, размещенные на торце на том же радиальном расстоянии, что и основное сопло, но смещенные в окружном направлении по ходу поворота ротора. Открытие клапанов их сопел позволяет увеличивать наполнение рабочей камеры в неэкономичном режиме, повышать давление и температуру рабочей среды и за счет неконденсируемого растрачивания рабочего тела повышать давление и дополнительный крутящий момент на валу двигателя. Представленное описание работы двигателя с одним рабочим цилиндром не противоречит возможности совместного (на одном валу) действия нескольких цилиндров, рабочие циклы которых смещены друг относительно друга, чтобы перекрыть взаимно моменты разгерметизации камер в момент прохода выступа ротора через срез замыкателя.