роторный двигатель

Формула изобретения

1. Роторный двигатель, содержащий две или несколько секций, каждая из которых включает цилиндрический корпус и ротор, причем роторы всех секций установлены на одном валу и смещены на определенный угол, элементы подвода и отвода рабочего тела, камеру сжатия, разделительную заслонку, контактирующую с поверхностью ротора, разделяющую элементы подвода рабочего тела и отвода отработавшего рабочего тыла и делящую роторную полость на две камеры, отличающийся тем, что содержат дополнительно вторую разделительную заслонку, установленную с диаметрально противоположной стороны, а ротор выполнен с двумя лопастями обтекаемой формы поверхности, контактирующей с наконечниками обоих заслонок и делящую роторную полость на четыре камеры, при этом каждая лопасть ротора содержит рабочую камеру с клапаном и выдвижным окошком.

2. Роторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что содержит накопительную камеру, третий клапан, первый и второй каналы и жиклерное отверстие, пневматически связывающие камеру сжатия с рабочей камерой.

3. Роторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что первое и второе выдвижные окошки рабочих камер взаимодействуют с первой заслонкой и друг с другом с помощью гибкого толкателя (или гидравлической трубки, или троса, перекинутого через блочки, или зубчатые рейки), кинематически связанные с соответствующими зубчатыми колесами.

4. Роторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде толстостенного диска, один из торцов которого имеет профильную поверхность изменяющуюся по синусоидальному закону с периодом Т или 2, и взаимодействует с двумя подпружиненными заслонками, установленными на торцевой стенке с двух диаметрально противоположных сторон, при этом заслонки имеют сечение кругового сектора и разделяют роторную полость на две (или четыре) камеры, кроме того, рабочая камера выполнена в виде углубления любой формы в теле первой заслонки, которая через каналы в первой и второй лопастях ротора и жиклерное отверстие пневматически связана с камерой накопления, которая через третий клапан связана с камерой сжатия ротора.

5. Роторный двигатель по п.4, отличающийся тем, что на одном валу установлены роторы двух секций, профильные синусоидальные поверхности которых находятся в противофазе, а первая и вторая заслонки являются общими для двух секций и контактируют с профильными поверхностями роторов своими противоположными торцевыми наконечниками, при этом в корпусе каждой секции выполнены четыре сквозные отверстия, два из которых используются для подачи под давлением рабочего тела (пара или газа), а два других - для выхода отработавшего рабочего тела.

6. Роторный двигатель по п.4, отличающийся тем, что профильные синусоидальные поверхности двух смежных роторов повернуты в разные стороны и имеют одинаковые фазы и контактируют с четырьмя выдвижными подпружиненными заслонками.

7. Роторный двигатель по п.6,отличающийся тем, что ротор является общим для двух смежных секций и имеет синусоидальный профиль прямоугольного сечения, поверхности которых контактируют с четырьмя выдвижными заслонками, попарно связанными друг с другом.

8. Роторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что лопасти ротора выполнены в виде балок с наклоненным бочкообразным профилем, а заслонки выполнены в виде вращающихся дисков со скоростью, в два раза превышающую скорость вращения ротора, с зазорами, сечения которых имеют наклонную бочкообразную форму, через которые свободно проходит ротор.

9. Роторный двигатель по п.8, отличающийся тем, что, с целью обеспечения жесткой связи между угловым положением ротора с угловым положением зазоров во вращающихся заслонках, двигатель содержит кинематически связанные ведущую и ведомую шестерни с коэффициентом передачи 1:2 и три пары конических шестерен, кинематически связанных жестко с первой и второй вращающимися заслонками.

10. Роторный двигатель по п.5, отличающийся тем, что отверстия и каналы для подачи рабочего тела в рабочие камеры выполнены в торцевых смежных крышках, а по два отверстия и каналы для вывода рабочего тела выполнены в каждой заслонке, сообщающейся с соответствующими выходными отверстиями в гильзах и корпусе двигателя.

11. Роторный двигатель по п.10, отличающийся тем, что в одной из смежных секций двигателя в качестве рабочего тела используется природный газ высокого давления, а в другом - пар.

12. Роторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что в корпусе двигателя выполнены камеры согревания, гидравлически связанные с камерами охлаждения в корпусе электрогенератора, установленном на выходном валу двигателя, при этом для принудительной циркуляции жидкости используется одна из секций двигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетического и транспортного машиностроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) и к приводным двигателям, использующим в качестве рабочего тела пар или сжатый воздух.

Известен роторный двигатель, содержащий корпус, элементы подвода рабочего тела и отвода отработавшего тела, выполненные в виде каналов на разделительной заслонке, соединенной с поршнем, профилированный ротор, по крайней мере, с одним уступом, стакан, в котором происходит сжатие подаваемого в него рабочего тела при помощи поршня и содержащий отверстия для подачи рабочего тела в камеру сжатия, вывода отработавшего рабочего тела и отверстие для подачи сжатого рабочего тела через канал в заслонке из аналогичной роторной секции в рабочую камеру, образовываемую заслонкой и уступом ротора. В этом роторном двигателе одновременно работают две или несколько роторных секций, установленных на одной оси, роторы которых смещены по окружности относительно друг друга на определенный угол, также предусмотрены уплотнительные элементы, встроенные в корпус, для обеспечения жесткости пары "ротор-корпус".

Наиболее близким к предложенному является роторный двигатель, содержащий две или несколько секций, каждая из которых включает цилиндрический корпус и ротор, а также элементы подвода и отвода рабочего тела, камеру сжатия, разделительную заслонку, контактирующую с поверхностью ротора, разделяющую элементы подвода рабочего тела и отвода отработавшего тела и делящую роторную полость на две камеры. При этом роторы всех секций установлены на одном валу и смещены на определенный угол относительно друг друга, ротор выполнен с рабочей камерой в виде углубления любой формы в теле ротора, имеющего стенки, ограничивающие его объем по боковым сторонам ротора. Причем ротор установлен с эксцентриситетом относительно оси роторного двигателя (корпуса), а его конфигурация по профилю максимально приближена к окружности.

Кроме того, в стенке рабочей камеры ротора, контактирующей с разделяющими секции элементами, выполнено, по крайней мере, одно жиклерное отверстие для подачи под давлением рабочего тела в рабочую камеру в момент совпадения его с отверстием элемента. [2]

К недостаткам прототипа относится то, что сжатие рабочего тела происходит при помощи поршня в стакане одной роторной секции, а поступает через канал в заслонке в рабочую камеру соседней секции. Так как роторы смещены по окружности относительно друг друга на определенный угол, то поджиг рабочего тела осуществляется не в момент максимального его сжатия. Это приводит к уменьшению КПД двигателя.

Технической задачей данного изобретения является повышение КПД двигателя.

Данная техническая задача решается за счет того, что в роторный двигатель, содержащий две или несколько секций, каждая из которых включает цилиндрический корпус и ротор, причем роторы всех секций установлены на одном валу и смещены на определенный угол, элементы подвода и отвода рабочего тела, камеру сжатия, разделительную заслонку, контактирующую с поверхностью ротора, разделяющую элементы подвода рабочего тела и отвода отработавшего рабочего, введены дополнительно вторая разделительная заслонка, установленная с диаметрально противоположной стороны, а ротор выполнен с двумя лопастями обтекаемой формы поверхности, контактирующей с наконечниками обоих заслонок и делящей роторную полость на четыре камеры. При этом каждая лопасть ротора содержит рабочую камеру с клапаном и выдвижным окошком.

В другом варианте ротор выполнен в виде толстостенного диска, один из торцов которого имеет профильную поверхность, изменяющуюся по синусоидальному закону с периодом Т или 2Т, и взаимодействует с двумя подпружиненными заслонками, установленными на торцевой стенке с двух диаметрально противоположных сторон. При этом заслонки имеют сечение кругового сектора и разделяют роторную полость на две (или четыре) камеры. Кроме того, рабочая камера выполнена в виде углубления любой формы в теле первой заслонки, которая через каналы в первой и второй лопастях ротора и жиклерное отверстие пневматически связана с камерой накопления, которая через третий клапан связана с камерой сжатия ротора.

В третьем варианте роторного двигателя на одном валу установлены роторы двух секций, профильные синусоидальные поверхности которых находятся в противофазе, а первая и вторая заслонки являются общими для двух секций и контактируют с профильными поверхностями роторов своими противоположными торцевыми наконечниками. При этом в корпусе каждой секции выполнены четыре сквозных отверстия, два из которых используются для подачи под давлением рабочего тела (пара или газа), а два других - для выхода отработавшего рабочего тела.

В четвертом варианте двигателя ротор является общим для двух смежных секций и имеет синусоидальный профиль прямоугольного сечения, поверхности которых контактируют с четырьмя выдвижными заслонками, попарно связанными друг с другом.

В пятом варианте двигателя лопасти ротора выполнены в виде балок с наклоненным бочкообразным профилем, а заслонки выполнены в виде вращающихся дисков со скоростью, в два раза превышающую скорость вращения ротора, с зазорами, сечения которых имеют наклонную бочкообразную форму, через которые свободно проходит ротор.

Принцип работы роторного двигателя поясняется конструкциями, представленными на фиг.1 - фиг 22.

На фиг.1 представлена конструкция первого варианта роторного двигателя, где: 1 - корпус;

2 - гильза;

3 - камеры охлаждения;

4 - ротор;

5 - пружина;

6 - выдвижное окошко;

7 - вал;

8 - шпонка;

9, 10 - рабочая камеры;

11, 12 - первая и вторая заслонки;

13, 14 - первый и второй клапаны;

15 - полость рабочая (очищения);

16 - полость сжатия (всасывания);

17 - отверстие всасывания;

18 - отверстие выброса;

19 - источник ЭДС;

20 - концевой включатель;

21 - система поджига;

22 - свеча;

23 - корпус заслонки;

24 - пружина;

25 - канал подачи горючего.

26 - толкатель.

На фиг.2 представлен второй вариант подачи рабочего тела в рабочую камеру, где: элементы 20-25 те же, что на фиг.1.

27 - третий клапан;

28 - камера накопления;

29, 30 - первый и второй каналы;

31 - жиклерное отверстие;

32 - свеча;

33 - высоковольтные провода;

34 - отверстие.

На фиг.3 представлен вид А по фиг.1 на раздвигающее окошко 35 рабочей камеры 9 (10) ротора 4, где: 5 - пружины;

35 - окошко;

36 - паз.

На фиг.4 представлен второй вариант раздвижения окошек рабочей камеры 9, где:

39, 40 - первое и второе выдвижные окошки;

41 - гибкий толкатель (масло);

42 - канал герметичный.

На фиг.5 представлена кинематическая схема третьего варианта раздвижения окошек рабочей камеры 9, где:

43, 44 - первое и второе окошки;

45 - блочки;

46 - трос.

На фиг.6 представлена кинематическая схема четвертого варианта раздвижения окошек рабочей камеры, где:

- первое и второе окошки связаны с зубчатыми рейками 47 и 48 соответственно;

49, 50 - первое и второе зубчатые колеса.

На фиг.7 представлен разрез ротора с цилиндрической рабочей камерой, где:

51 - цилиндрическая камера;

52 - цилиндрическая створка с двумя окошками;

53 - сцепление.

На фиг.8 представлена в разрезе А-А конструкция второго варианта роторного двигателя, где позиции 1-3 те же, что на фиг.1;

54 - уплотнительные кольца;

55, 56 - первая и вторая торцевые стенки;

57 - вал;

58 - ротор;

59 - заслонка выдвижная;

60 - корпус заслонки;

61 - пружины;

62 - источник ЭДС (Е);

63 - концевой включатель;

64 - система поджига;

65 - канал подачи сжатого воздуха;

66 - накопительная камера;

67 - канал подачи рабочего тела в рабочую камеру;

68 - жиклер;

69 - рабочая камера;

70 - шпонка;

71 - профильная поверхность ротора.

На фиг.9 показан вид С-С на роторный двигатель по фиг.8, где: позиции

60-69 те же, что на фиг.8

72 - болты соединительные.

На фиг.10 представлен вид сверху на роторный двигатель без верхней торцевой стенки, где:

73, 74 - первая и вторая заслонки;

75 - ротор;

76 - вал;

77 - гильза цилиндрическая (без корпуса);

а, b, с, d - определяющие точки взаимодействия первой 73 и второй 74 заслонок с профильной поверхностью 78 ротора 75.

На фиг.11, фиг.12 и фиг.13 приведены развертки профильной поверхности ротора, где:

73, 74 - выдвижные заслонки, взаимодействующие в точках а и с с профильной поверхностью 78 ротора.

На фиг.11 профильная поверхность 78 имеет пилообразную форму.

На фиг.12 и фиг.13 наконечники заслонок 75 и 76 имеют закругленный профиль, а развертка профильной поверхности 79 и 80 имеет синусоидальную форму с периодом Т и 2Т соответственно.

На фиг.14 представлена конструкция третьего варианта роторного двигателя, где:

81 - корпус;

82 - камеры охлаждения;

83 - гильза;

84, 85 - первая и вторая торцевые стенки;

86 - смежная стенка;

87 - отверстия для установки и крепления двигателя;

88, 89 - первый и второй роторы;

90, 91 - первая и вторая заслонки;

92 - вал;

93 - шпонки.

На фиг.15 представлена конструкция четвертого варианта роторного двигателя, где:

94 - корпус;

95 - гильза;

96, 97 - первая и вторая торцевые стенки;

98 - ротор;

99, 100, 101, 102 - первая и вторая, третья и четвертая заслонки соответственно;

103, 104 - первая и вторая перемычки;

105 - вал;

106 - шпонка.

На фиг.16 представлен вид С-С роторного двигателя по фиг.15, где позиции 96-105 те же, что и на фиг.15.

На фиг.17 представлен вид Д по фиг.15, где:

107 - профильная поверхность ротора;

108 - паз под шпонку.

На фиг.18 представлена развертка профиля ротора, где позиции 99-107 те же, что на фиг.15-фиг.17; верхние 109 и нижние 110 профильные поверхности ротора взаимодействуют с наконечниками заслонок 99-102. Развертки имеют форму синусоида с периодом Т и 2Т (см. фиг.12 и фиг.13).

На фиг.19 представлена конструкция пятого варианта роторного двигателя, где:

111 - корпус;

112 - гильза;

113, 114 - первая и вторая торцевые стенки;

115 - ротор;

116 - втулки для установки ротора;

117, 118 - первая и вторая вращающиеся заслонки;

119 - вал.

На фиг.20 приведен вид Д-Д по фиг.19, где позиции 113-119 те же, что и на фиг.19.

На фиг.21 приведен вид К по фиг.19, где:

120 - зазор во вращающейся заслонке 118.

На фиг.22 представлена кинематическая схема приводов для вращающихся заслонок, где:

117, 118 - вращающиеся заслонки;

119 - вал выходной;

121 - ведущая шестерня;

122 - ведомая шестерня;

123, 124, 125 - второй, третий и четвертый валы;

126-127, 128-129, 130-131 - первая, вторая, третья конические пары колес;

132 - горизонтальный (пятый) вал.

На фиг.23 представлена конструкция пятого варианта роторного двигателя, где: 133 - гильза; 134 - первый ротор; 135 - вал выходной; 136 - шпонка; 137, 138 - первая и вторая заслонки; 139, 140 - первое и второе отверстия для выхода отработанного рабочего тела; 141, 142 - первый и второй пазы в первой заслонке 137; 143 - третье отверстие для подачи рабочего тела; 144 - третий канал; 145 - четвертое отверстие; 146, 147 - третье и четвертое отверстия для выхода рабочего тела; 148 - четвертый канал.

На фиг.24 представлен вид А-А по фиг 23, где позиции 133-148 те же, что на фиг.23.

149, 150 - первая и вторая смежные крышки; 151, 152 - четвертые отверстия и канал для подачи рабочего тела; 153 - наружные крышки; 154 - второй ротор.

На фиг.25 представлен вид В по фиг.23, где позиции 141-154 те же, что на фиг.23 и фиг.24, 155, 156 - первый и второй каналы в заслонке; 157, 158 - первый и второй каналы в смежных крышках 149, 150.

На фиг.26 представлена конструкция пятого варианта роторного двигателя по фиг.23 (одной секции) в аксонометрии.

Принцип действия роторного двигателя, конструкция которого представлена на фиг.1, заключается в следующем.

В корпусе 1 с камерами охлаждения 3 установлена гильза 2 цилиндрической формы. Соосно гильзе проходит вал 7 двигателя, на который с помощью шпонки 8 установлен ротор 4.

Ротор имеет два уступа (лопасти) обтекаемой формы, концы которых скользят по внутренней поверхности гильзы 2.

Лопасти ротора имеют встроенные рабочие камеры 9 и 10 произвольной формы с выдвижными окошками 6. Пружины 5 обеспечивают герметичность рабочих камер 9 и 10. Для этого две пружины 5 смещают окошки 6 (см. фиг.3) по пазу в роторе, имеющему направляющие формы "ласточкиного хвоста".

Кроме того, с диаметрально противоположных сторон корпус 1 и гильза 2 имеют пазы, по которым перемещаются первая 11 и вторая 12 заслонки. Заслонки постоянно контактируют с поверхностью вращающегося ротора. При этом пружины 24, опирающиеся своими концами в корпус заслонки 23 и торец выдвижной заслонки 11 (12), обеспечивают надежный контакт между заслонками и ротором 4. Выдвижные заслонки 11 и 12 разделяют внутреннюю полость гильзы 2 на две полости - рабочую полость 15 и полость сжатия. Вращающиеся лопасти ротора разделяют эти полости еще на две части: полость 15 - на рабочую и полость очищения, а полость 16 - на полость сжатия и полость всасывания.

Таким образом, за один оборот ротора происходит полный цикл четырехтактного двигателя: всасывание, сжатие, расширение и очистка.

По периметру корпуса 1 и гильзы 2 с двух сторон второй заслонки 12 расположены сквозные отверстия всасывания 17 и выброса 18, соединяющие внутренние полости всасывания и очистки двигателя с атмосферой.

Кроме того, на двух концах ротора установлены первый 13 и второй 14 клапаны, соединяющие внутренние полости рабочих камер 9 и 10 с полостью сжатия двигателя. В полости очистки клапаны 13, 14 закрыты и ротор выталкивает отработанный газ из отверстия выброса 18 в атмосферу.

При использовании данного механизма в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) первая заслонка имеет Г-образный канал 25 для подачи горючего в рабочую камеру 9 (или 10), свечу, к которой подведены высоковольтные провода через второй канал в заслонке 11. Эти провода подключены к системе поджига 21, на которую подается напряжение от источника ЭДС 19 через концевой включатель 20. Этот включатель срабатывает, когда заслонки 11 находятся в крайнем нижнем положении. До этого момента окошко 6 открывается с помощью толкателя 26 на кончике первой заслонки 11. При движении заслонки вниз толкатель 26 входит в пазы окошек 6 и двигает их вниз в направлении вала 7. В этом положении в открытую рабочую камеру вспрыскивается горючее, после чего на свечу, встроенную в кончике заслонки 11, подаются импульсы поджига.

Рабочая смесь возгорается и под высоким давлением газов горящего горючего рабочего тела ротор вращается по часовой стрелке (см. фиг.1). Концевой включатель 20 неподвижно связан с первой заслонкой и совершает возвратно-поступательное движение в пазе корпуса 23 до срабатывания концевого включателя 20. При движении заслонки вниз происходит совмещение канала подачи горючего 25 с отверстием в корпусе 23. Через трубку подачи горючего (на фиг.2 не указан) в полость, образовавшуюся между заслонкой и уступом ротора, поступает горючее, которое под давлением впрыскивается в рабочую камеру. После этого на свечу 22 подается высоковольтный импульс поджига, вырабатываемый системой поджига 21 известной конструкции, например индукционной катушкой.

На фиг.2 приведена конструкция второго варианта подачи рабочего тела (сжатого воздуха) в рабочую камеру 26.

Рабочее тело накапливается в камере, которая может быть встроена в корпусе двигателя или находиться за пределами корпуса 1 двигателя. Накопление происходит через третий клапан 27, установленный в полости сжатия 16 рядом с первой заслонкой 11.

Под давлением рабочего тела при вращении ротора клапан 27 пропускает через себя и второй канал 30 сжатый воздух в камеру накопления 28. Первый канал 29 соединяет внутреннюю полость камеры накопления 28 с жиклерным отверстием 31 в тот момент, когда рабочая камера окажется правее от первой заслонки 11 и закрывает наклоненным торцом открытую рабочую камеру 9. В этом случае конструкция ротора упрощается. Нет необходимости в применении выдвижных окошек 6.

Жиклерное отверстие 31 находится вблизи вала 7. Канал 29 соединяет камеру 28 с жиклерным отверстием 31 через торцевую стенку двигателя.

В остальном принцип действия этого варианта роторного двигателя ничем не отличается от вышеизложенного по фиг.1.

На фиг.4 представлен вид А по фиг.1 на выдвижное окошко 35. Под действием пружин 27 окошко 35 перемешается по пазу, имеющему форму "ласточкиного хвоста", и закрывает герметично рабочую камеру 9 (10). Окошко имеет паз 36, в который входит толкатель 26, установленный на кончике первой заслонки 11. Толкатель смещает окошко вниз и в рабочую камеру с рабочим телом впрыскивается горючее и смесь поджигается высоковольтным импульсом, поступающим на свечу 22. После этого толкатель освобождает паз 36 и под действием пружины 27 окошко смещается вверх и закрывает герметично рабочую камеру 9 (или 10).

На фиг.4 - фиг.6 приведены еще три варианта конструкции для открытия и закрытия выдвижных окошек.

На фиг.4 первое 39 и второе 40 окошки кинематически связаны гибким толкателем 41, например тросом, проложенным по каналу 42.

При открытии толкателем 26 первого окошка 39 гибкий толкатель 41 закрывает второе окошко 40. Через полпериода вращения ротора взаимодействие между первой заслонкой и вторым окошком 40 приводит к открытию второго окошка и закрытию первого и т.д.

Для выполнения аналогичной операции может быть использована гидравлическая связь с помощью масла, заполоняющего герметично паз для окошка канала 42.

На фиг.5 первое 43 и второе 44 окошки кинематически связаны друг с другом тросом 46, перекинутым через блочки 45. Открытие первого окошка приводит к натяжению троса и закрытию второго и наоборот.

Для совершения аналогичной операции на фиг.6 используются первая 47 и вторая 48 зубчатые рейки, неподвижно связанные с соответствующими окошками.

Зубчатые рейки взаимодействуют друг с другом через первый 49 и второй 50 зубчатые колеса. Такая кинематическая связь обеспечивает закрытие второго окошка при открытии первого и наоборот. Для открытия окошка, взаимодействующего с первой заслонкой, используются толкатель 26 на кончике первой заслонки и паз 36 (см. фиг.3).

На фиг.7 представлен в разрезе наконечник лопасти ротора. Рабочая камера имеет цилиндрическую форму 51. Открывающаяся створка 52 также имеет цилиндрическую форму. Створка имеет окошко прямоугольной формы и ушки, которые взаимодействуют с наконечником первой заслонки. При опущенной заслонке 11 окошко соединяет внутреннюю полость рабочей камеры, где накоплено рабочее тело через клапан 12, с заслонкой 11, происходит впрыскивание горючего и поджиг смеси. В результате ротор вращается по часовой стрелке. Затем под воздействием наконечника второй заслонки 12 на второе ушко 53 створка 52 закрывается. Таким образом, при каждом взаимодействии заслонки с заслонками 11 и 12 происходит поворот цилиндрической заслонки на угол 90°.

Таким образом обеспечивается закрытое положение рабочей камеры в полости сжатия 16 и открытое его положение в рабочей полости.

В случае применения двигателя в качестве приводного используются в качестве рабочего тела пар или сжатый природный газ (или воздух), его конструкция существенно упрощается. Отпадает необходимость в применении камер сжатия и накопления, систем подачи горючего и поджига, а также в применении задвигающихся окошек для рабочих камер. Первая заслонка имеет такую же упрощенную конструкцию, как вторая заслонка 12 (59).

В конструкциях на фиг.1 (фиг.2) и фиг.8 (фиг.9) третий клапан 27 заменяют сквозным отверстием, соединяющим полость сжатия 16 с атмосферой, а полость всасывания превращают в рабочую. Для этой цели в отверстие всасывания 17 подают рабочее тело - пар или сжатый природный газ. Мощность на валу 7 увеличивается при этом вдвое, т.к. одновременно работают две рабочие камеры. Жиклерные отверстия 31 устанавливаются в торцевой стенке с диаметрально противоположных сторон и к ним по каналам, аналогичным 29 на фиг.2, подводится пар или газ высокого давления непосредственно. Отработанные пары или газы через сквозные отверстия 18, 34 в корпусе сбрасываются в атмосферу через глушитель двигателя.

Аналогичным образом функционируют двигатели, конструкции которых представлены на фиг.10 - фиг.19.

Принцип действия второго варианта роторного двигателя, представленного на фиг.8, заключается в следующем: корпус 51 двигателя имеет цилиндрическую форму с встроенными камерами охлаждения 52. Внутри корпуса соосно установлена гильза 53. С торцевых сторон корпус с гильзой закрыты герметично с помощью первой 55 и второй 56 стенок.

По центру корпуса соосно проходит выходной вал 57. На валу неподвижно установлен ротор 58. С одной (верхней) стороны ротор имеет профильную поверхность 71. К этой поверхности плотно прижимаются с двух диаметрально противоположных сторон выдвижные заслонки 59. Заслонки имеют форму кругового сектора и два отверстия для пружин 61. Эти пружины обеспечивают необходимую силу прижатия заслонок к профильной поверхности ротора. Заслонки совершают возвратно-поступательные движения в зазорах верхней стенки 55. Сверху заслонки закрыты корпусами 60. Верхние концы пружин 61 упираются в соответствующие корпуса 60, неподвижно закрепленные на первой стенке 55.

Между гильзой 53 и ротором 58, а также между заслонками 59 и первой стенкой установлены уплотнительные кольца и пластины известной конструкции. Неподвижное положение ротора на валу 57 обеспечивается шпонкой 70.

В стенке корпуса 51 расположена накопительная камера 66, которая с помощью канала подачи сжатого воздуха 65 и канала подачи рабочего тела 67 сообщается с внутренней полостью гильзы 53.

Заслонки разделяют полость между ротором и торцевой стенкой 55 на две секции: рабочую (очистки от отраженного газа) и сжатия (всасывающие свежий воздух). Секция сжатия сообщается с каналом 65, а рабочая секция - с каналом 67.

В правой заслонке имеется рабочая камера 69.

Эта камера заполняется рабочим телом в момент времени, когда положение жиклерного отверстия 68 совпадает с каналом 67. Это происходит один раз за период вращения ротора. Жиклеров может быть несколько, и они могут иметь форму паза, чтобы успеть перекачать рабочее тело из накопительной камеры 66 в рабочую камеру 69.

В случае применения роторного двигателя в двигателях внутреннего сгорания выдвижные заслонки выполняются по конструкции, представленной на фиг.1 и фиг.2.

В рабочее тело впрыскивается горючее и подается импульс поджига в момент, когда заслонка занимает необходимое крайнее нижнее положение и срабатывает концевой включатель 63.

Система поджига 64 может быть выполнена на тиристорах и импульсном трансформаторе или аналогично известной системе на индукционной катушке. Система поджига вырабатывает высоковольтный и импульс, от которого происходит взрыв смеси рабочего тела и горючего.

Под воздействием газов высокого давления ротор вращается по часовой стрелке (см. фиг.9). При этом ротор выталкивает отработанное тело из камеры в атмосферу. Для этого перед левой заслонкой 59 в гильзе 53 и корпусе 51 двигателя предусмотрены сквозные отверстия, соединяющие камеру с атмосферой. На валу 57 роторы всех секций устанавливаются со смещением относительно друг друга на определенный угол. Оптимальным является угол , где N - число секций. Угловое положение роторов на общем валу фиксируется шпонками 70.

С левой стороны левой заслонки 59 в корпусе и гильзе предусмотрено сквозное отверстие, через которое в полость между профильной поверхностью 71 ротора и первой (верхней) стенкой 55 попадает свежий воздух из атмосферы.

При вращении ротора происходит сжатие воздуха в полости между выступом (a и с) ротора и выдвижной заслонкой (74 (76). См. фиг.11, 12 и 13).

Под давлением ротора сжатый воздух через клапан 64 и канал 65 поступает в накопительную камеру 66.

При совпадении жиклерного отверстия 68 с каналом 67 происходит перекачка рабочего тела (сжатого воздуха) из накопительной камеры 66 в рабочую камеру 69. После этого происходит впрыскивание горючего и поджиг смеси.

Когда механизмы на фиг.1 - фиг.18 применяются в качестве приводного двигателя, использующего в качестве рабочего тела пар, сжатый воздух или газ, механизмы можно существенно упростить.

В этом случае нет необходимости в сжатии рабочего тела и вторая полость cda (см. фиг.11 и фиг.13) также используется в качестве рабочей. Для этого клапан 64 заменяют отверстием, соединяющим внутреннюю полость гильзы с атмосферой. Кроме того, пар или сжатый газ подводится одновременно в накопительною камеру 66 и к отверстию 17 для подачи свежего воздуха (см. фиг.9). При этом канал 67 должен быть перекрыт.

При необходимости вторая полость двигателя может быть использована в качестве насоса для подачи или циркуляции газа или жидкости. При таком применении двигателя отверстия 17 и 34 используются в качестве входа и выхода насоса. Такая необходимость возникает, например, если приводной двигатель использовать в качестве привода электрогенератора, работающего на природном газе. Понижение давления природного газа, поступающего по магистральным газопроводам (до 50 атм), до рабочего (5-10 атм) связано с понижением температуры окружающей среды и газопровода. Чтобы исключить замерзание газопроводов, газ предварительно подогревают. Если горячую воду, охлаждающую корпус электрогенератора, циркулировать с помощью насоса, описанного выше, через камеры охлаждения 52 корпуса 51 данного двигателя, возможно существенно поднять КПД энергетической установки.

В данной установке отработанное рабочее тело - природный газ через выходные отверстия 18 и 34 должен поступить в замкнутый, пневматически изолированный от атмосферы герметический баллон большой емкости. Чем больше разность давлений газа в баллоне и в рабочей камере, тем выше выходная мощность приводного двигателя.

Для наиболее эффективного использования энергии сжатого газа и преобразования его в электрическую энергию необходимо включить несколько электроэнергетических установок покаскадно. Выходное давление газа первого каскада используется в качестве рабочего давления газа второго каскада и так далее. Выходное давление последнего каскада является рабочим давлением бытовой газопроводной сети.

Третья конструкция роторного двигателя, представленная на фиг.14, отличается от конструкции на фиг.8 тем, что она включает в себя фактически две конструкции по фиг.8, работающие в противофазе. Эта конструкция особенно эффективна в приводных двигателях, использующих в качестве рабочего тела газ высокого давления или пар. При этом на одном валу могут быть установлены несколько секций. Для взаимной компенсации температур одни секции могут работать от пара, другие - от природного газа.

На фиг.14 первый 88 и второй 89 роторы установлены на одном валу 92 с помощью шпонок 93.

Первая 90 и вторая 91 заслонки являются общими для двух смежных секций. При этом профильные поверхности 78, 79, 80 первого 88 и второго 89 роторов полностью совпадают друг с другом, но находятся в противофазе. Выступ верхнего ротора 88 совпадает со впадиной с нижнего 89. Верхние и нижние торцевые поверхности заслонок 90 и 91 все время находятся в контакте с профильными поверхностями роторов.

Для обеспечения необходимого контакта заслонок с профильными поверхностями роторов заслонки могут быть выполнены из двух подпружиненных половинок, взаимно сдвигающихся относительно друг друга в продольном направлении. Кроме того, на контактирующих торцевых поверхностях заслонок, по периметру окошек в смежной стенке 86, по которым перемещаются заслонки 90, 91, а также в зазорах между роторами с гильзами и контактирующими стенками могут быть установлены уплотнительные элементы в виде пластин, колец и роликов известной конструкции (на фигурах не показаны).

Корпус 81 с камерами охлаждения 82 и гильзой 83 для обеих секций имеют одинаковые конструкции и изолированы друг от друга смежной стенкой 86. Смежная стенка имеет отверстия 87 для крепления двигателя.

На одном валу могут быть установлены несколько сдвоенных секций конструкции по фиг.14. При этом роторы должны быть смещены по фазе на определенный угол относительно друг друга.

Конструкция четвертого варианта роторного двигателя, представленная на фиг.15, имеет корпус 94 с камерами для охлаждающей жидкости, внутри которого установлена гильза 95 цилиндрической формы.

Первая 96 и вторая 97 торцевые стенки имеют по два окна каждая, через которые проходят и совершают возвратно-поступательные движения первая 99, вторая 100, третья 101 и четвертая 102 заслонки.

При этом с помощью первой перемычки 103 первая заслонка неподвижно связана со второй, а с помощью второй заслонки 104 - третья и четвертая заслонки.

Первая 99 и третья 101 заслонки взаимодействуют с верхней профильной поверхностью ротора 98. При этом связанные с ними вторая 100 и четвертая 102 заслонки контактируют и взаимодействуют с нижней профильной поверхностью ротора.

Ротор имеет седлообразную форму и прямоугольное сечение. Вид по стрелке Д (см. фиг.15) приведен на фиг.17.

На фиг.18 представлена развертка профильных поверхностей 109 и 110. Эти поверхности параллельны друг другу, и взаимодействие этих поверхностей с попарно связанными первым-вторым и третьим-четвертым заслонками при размещении жиклерных отверстий 31 справа от первой 99 и второй 100 заслонок приводит к вращению ротора.

При синусоидальном профиле с периодом Т (фиг.12) активные фазы в верхней и нижней полостях сдвинуты на 180°.

В случае применения ротора с профильной синусоидальной поверхностью 2Т активные фазы в верхней и нижней полостях меняются через 90°. Это позволяет четыре такта двигателя внутреннего сгорания осуществить за один оборот ротора.

Аналогично меняются активные фазы и в третьем варианте двигателя на фиг.14 при синусоидальной поверхности роторов 88 и 89.

Для уменьшения габаритов роторного двигателя и увеличения мощности на единицу объема представляет интерес совмещение конструкций на фиг.15 и фиг.14.

Конструкция четвертого варианта (фиг.15) размещается между двумя секциями третьего варианта двигателя (см. фиг.14). При этом ротор 98 размещается между первым 88 и вторым 89 роторами и закрепляются на валу так, чтобы профильные поверхности всех трех роторов были параллельны друг другу.

Необходимость в перемычках 103, 104 при этом совпадает. Каждая из заслонок 99-102 работает на две секции. В этом случае в каждый момент времени в активной фазе находятся две полости указанных роторов.

В этом случае суммарная высота роторного двигателя с тремя роторами уменьшается на высоту заслонки.

На фиг.16 приведен вид С-С по фиг.15, где 99 - заслонка, соединенная с первой перемычкой 103. Третья заслонка 101 находится в окошке верхней торцевой стенки 96. 104 - это срез второй перемычки, соединяющей между собой третью 101 и четвертую 102 заслонки.

На фиг.17 приведен вид по стрелке Д по фиг.15. Позиция 108 это паз под шпонку, с помощью которой ротор 98 неподвижно устанавливается на валу 105. Ротор имеет сложную седлообразную форму. Ротор своими профильными поверхностями 109 и 110 контактирует с торцевыми стенками 96 и 97 соответственно. Чтобы обеспечить необходимую герметичность отдельных полостей, могут быть использованы уплотнительные элементы. В частности, одна из стенок может быть прижата к ротору с помощью пружины, установленной на валу внутри корпуса двигателя. При этом ротор на валу устанавливается с возможностью продольного смещения по валу. Это обеспечивает надежный контакт ротора с внутренними поверхностями обеих стенок при их износе в процессе вращения ротора.

Принцип работы пятого варианта роторного двигателя, представленного на фиг.19, заключается в следующем.

Аналогично предыдущим конструкциям двигатель содержит цилиндрический корпус 111, внутри которого установлена гильза 112. С помощью стенок 113 и 114 корпус закрывается с торцевых сторон. С диаметрально противоположных сторон в корпус со стенками врезаются две вращающиеся заслонки 117 и 118 (см. фиг.21 и фиг.22).

Ротор 115 имеет форму вращающейся наклонной балки. Благодаря наклону и бочкообразной форме профиля поршня (см. фиг.20), аналогичной форме зубьев конического колеса с круговым зубом [3]. Поршни плавно заходят и выходят из зазоров двигающихся затворок. Затворки имеют также профиль наклонной и бочкообразной формы (см. фиг.21). Это обеспечивает плавность скольжения поршня при его пересечении плоскости соответствующей заслонки.

На фиг.20 показан вид Д-Д по фиг.19. Для установки ротора 115 на валу 119 он имеет в центральной части две втулки 116, закрепленные на торцевых стенках 113 и 114 с возможностью свободного вращения относительно стенок.

Скорость вращения вращающихся заслонок , где ₁ - скорость вращения ротора. Причем угловое положение зазоров 120 во вращающихся заслонках должно быть жестко связано с угловым положением ротора. Две лопасти ротора одновременно должны заходить в зазоры соответствующих вращающихся заслонок и, скользя по профильным зазорам 120, выйти из них. В остальной период вращения ротора внутренняя герметичная полость гильзы 112, закрытая с двух сторон торцевыми стенками 113 и 114, разделяется заслонками пополам.

Остальные процессы, происходящие в двигателе, аналогичны вышеизложенным, в частности при описании второго варианта конструкции, представленной на фиг.8.

На фиг.22 показана кинематическая схема конструкции, обеспечивающая синхронность работы вращающихся заслонок 117 и 118 относительно ротора 115.

На валу 119 устанавливается цилиндрическая ведущая шестерня 121. Она находится в сцеплении с ведомой шестерней 122. Диаметр делительной окружности ведомой шестерни в два раза меньше соответствующего диаметра ведущей шестерни. Скорость вращения ведомой шестерни в два раза выше скорости вращения ротора.

С помощью второго 123, третьего 124, четвертого 125 и горизонтального (пятого) 132 валов, а также первой 126-127, второй 128-129 и третьей 130-131 парой конических колес вращение ведомой шестерни 122 передается на вращающиеся заслонки 117 и 118.

На фиг.22 второй вал 123 перпендикулярен плоскости ведомой шестерни 122, которая неподвижно установлена на этом валу. Коэффициент передачи всех конических пар равен 1:1. Оси вращения валов 132, 124 и 125 и третьей 130-131 пары конических колес вращение ведомой шестерни 122 передают на вращающиеся заслонки 117 и 118.

На фиг.22 второй вал 123 перпендикулярен плоскости ведомой шестерни 122, которая неподвижно установлена на этом валу. Коэффициент передачи всех конических пар равен 1:1. Оси вращения валов 132, 124 и 125 находятся в одной плоскости, проходящей по центру вращающегося ротора 115.

Для обеспечения необходимой герметичности зазоров между вращающимися заслонками с корпусом и торцевыми стенками могут быть использованы уплотнительные элементы известной конструкции (не показаны). На фигурах 23-26 представлена конструкция приводного двигателя, где в качестве рабочего тела используется сжатый природный газ или пар.

Принципиальное отличие данного варианта от конструкции, представленной на фиг.14, заключается в том, что рабочее тело поступает в рабочую камеру через отверстия 143, 151 и каналы 144, 152 в смежных крышках 149, 150 двух секций двигателя. Отработанное рабочее тело выводится из камеры сброса через первые и вторые каналы 155, 156 и пазы 142, 143, а также через соответствующе отверстия в гильзах 133.

На фиг.23-26 корпус двигателя не указан. Первая и вторая гильзы 133 установлены соосно и разделены смежными крышками 149, 150.

На выходном валу 135 с помощью шпонок 136 неподвижно установлены первый 134 и второй 154 роторы. Первая 137 и вторая 138 заслонки своими торцами упираются в профильные синусоидальные поверхности первого и второго роторов. Заслонки установлены в соответствующих окнах смежных крышек с возможностью свободного перемещения с применением специальных уплотнительных прокладок. Из-за взаимодействия профильных поверхностей вращающихся роторов 134, 154 с заслонками 137 и 138 последние совершают возвратно-поступательные движения. Подвижные заслонки разделяют рабочую полость, которую образуют между профильной поверхностью каждого ротора и соответствующей смежной крышкой, на четыре камеры. За один оборот ротора могут быть совершены четыре такта ДВС: всасывание, сжатие, взрыв и выброс отработанного рабочего тела. В данной конструкции приводного двигателя из четырех камер две камеры используются в качестве рабочих, а две другие - для сброса отработанного сжатого газа или пара.

Верхняя и нижняя (см. фиг.24) имеют третье 143 и четвертое 151 отверстия для подачи рабочего тела - сжатого газа или пара.

Смежные стенки имеют третий 144 и четвертый 148 каналы для подачи рабочего тела в рабочие камеры. Сжатый газ или пар поступает в зазор между соответствующей заслонкой и выступом профильной поверхности ротора.

Под воздействием высокого давления рабочего тела, а в ДВС под воздействием продуктов сгорания горючей смеси, ротор вращается. При этом отработанное рабочее тело из смежной камеры выталкивается выступом профильной поверхности ротора.

Для вывода отработанного рабочего тела каждая заслонка имеет первое 139 и второе 140 боковые отверстия, переходящие в соответствующие пазы 141 и 142.

Продольные пазы связывают первое 139 и второе 140 отверстия с третьим и четвертым отверстиями соответственно. Последние отверстия являются выходными отверстиями для отработанного рабочего тела. Эти отверстия связывают камеру сброса рабочего тела с атмосферой для ДВС или с накопителем (баллоном) сжатого газа более низкого давления. Из этого накопителя газ может быть подан в рабочую камеру следующего приводного двигателя. Применяя такое покаскадное подключение приводных двигателей, возможно эффективно использовать энергию высокого давления магистральных газопроводов природного газа при понижении его давления до потребительского в городской сети.

Когда рабочая камера принимает максимальный объем, а камера сброса - минимальный, выступ профильной поверхности частично приоткрывает входное отверстие в смежной крышке. При этом боковое отверстие в заслонке 155 также перекрывается вследствие того, что оно заходит в окно соответствующей смежной стенки. В приведенной конструкции (см. фиг.23-фиг.26) приводного двигателя вращающий момент на выходном валу 135 создает одновременно четыре рабочие камеры.

Для компенсации охлаждения (отрицательной температуры), которое происходит при расширении природного газа в результате снижения давления, одна из двух секций может работать на паре. Для этой же цели в камерах охлаждения корпуса возможно принудительно циркулировать воду, которую охлаждает электрогенератор, установленный на выходном валу 135 приводного двигателя.

На фиг.25 представлен вид В по фиг.23.

Первый 155 и второй 156 каналы в каждой заслонке соединяют выходные отверстия 146, 147 в гильзах с отверстиями в боковой стенке соответствующей заслонки.

Источники информации

1. Роторный двигатель. Патент RU 2175397 С2, 27.10.2001 г. МПК 7 F 02 В 53/00.

2. Роторный двигатель Панченко. Патент RU 2232278 С1, 15.01.2002 г. МПК 7 F 02 В 53/00, 55/04.

3. Ануров В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Том 2, с.316-323, М.: Машиностроение, 1980 г.