Роторный двигатель

Роторный двигатель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторным двигателям внутреннего сгорания, в частности к роторным двигателям внутреннего сгорания с неравномерным движением лопастных рабочих органов в кольцевом рабочем пространстве корпуса, и может быть использовано для наземных транспортных средств, летательных аппаратов, в народном хозяйстве.

Известен роторный двигатель (патент США N 3505981, кл. 123-8, 47, 1970), в котором между полукруглыми кольцевыми роторами с двумя поршнями образуются камеры сгорания, находящиеся в относительном друг к другу вращательном движении и преобразующие энергию взрыва непосредственно во вращательное движение вала.

Основным недостатком известного двигателя является его сложность при массовом производстве, т.к. требует получение деталей с объемными сопряженными поверхностями, точность сопряжения которых будет определять компрессию в камерах сгорания и утечку выхлопных газов, а следовательно, существенно влиять на основные технические характеристики двигателя, такие как мощность, экономичность и др.

Известен двигатель внутреннего сгорания (см. патент США №3398643, 1968 г.), содержащий неподвижный корпус с внутренней цилиндрической полостью, в которой расположены лопастные рабочие органы. Две лопасти жестко связаны с центральной втулкой, а две другие лопасти насажены на пустотелом валу, образующем с центральной втулкой коаксиальное подвижное соединение. При этом вал и центральная втулка кинематически связанные между собой механизмом преобразования движения.

Основным недостатком известного двигателя является наличие внешнего механизма преобразования движения, который преобразовывает вращательные движения лопастных рабочих органов во вращательное движение выходного вала. Указанный механизм не только усложняет, утяжеляет и удорожает двигатель, но и увеличивает потери при передаче вращательной энергии лопастных рабочих органов, а следовательно, уменьшает коэффициент полезного действия (КПД) двигателя и усложняет его обслуживание при эксплуатации.

Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является устранение указанных недостатков, связанных с наличием механизма преобразования движения.

Указанная задача в двигателе внутреннего сгорания, содержащем системы запуска и газообмена, корпус с цилиндрической полостью, в которой с образованием камер переменного объема, соединенных с системой подачи топлива, расположены две пары поворотных лопастей, при этом одна пара поворотных лопастей установлена с возможностью вращения вокруг центральной оси, решена тем, что корпус выполнен разрезным, состоящим из двух полуцилиндров - верхнего и нижнего статоров, установленных с возможностью вращения вокруг центральной оси, причем в каждом из статоров установлен дисковый ротор с закрепленными на нем двумя поворотными лопастями с фиксаторами вращения ротора относительно статора, при этом центральная ось двигателя зафиксирована относительно нижнего ротора, а внутри ее выполнены канал высокого давления подачи пускового воздуха и топливные каналы, соединяющие систему подачи топлива с дозаторами, подающими топливо в камеры переменного объема, которые через подвижную газообменную систему соединены с внешней средой.

Заявляемая конструктивная схема ДВС позволяет отказаться от привычной схемы суммирования крутящих моментов за счет редукторов или дифференциальных механизмов, а позволяет крутящий момент снимать непосредственно с вращающихся статоров двигателя. Это достигается за счет использования фиксаторов для преобразования вращательно-реверсного движения друг относительно друга двух пар поворотных лопастей, установленных на дисковых роторах, во вращательное разностороннее движение статоров.

Наиболее целесообразно выполнение каждого из роторов в форме диска с двумя диаметрально расположенными поворотными лопастями с высотой, равной высоте камер переменного объема, при этом каждая поворотная лопасть выполнена в виде радиального сегмента кольца, на внешней закругленной стороне которого расположены друг под другом два фиксатора вращения, каждый из которых выполнен в виде подпружиненного вертикально расположенного цилиндрического ролика, установленного в выемке на наружной поверхности поворотной лопасти, образующей со статором двигателя сужающийся радиальный зазор. Указанное конструктивное решение позволяет просто и надежно осуществлять периодическую фиксацию роторов относительно статоров.

Для уменьшения габаритов двигателя и упрощения его конструкции подвижная газообменная система выполнена в виде двух газообменных каналов, соединяющих камеры переменного объема с внешней средой посредством расположенных в теле подвижного установленного относительно оси двигателя дискового ротора и ряда газообменных окон в коаксиально установленной на каждом из роторов цилиндрической перегородке, образующих внутреннюю цилиндрическую поверхность камер переменного объема, а также сквозных отверстий в основании верхнего статора.

Для защиты механизма фиксации от нагаров и копоти камеры переменного объема разделены на внутреннюю рабочую и внешнюю вспомогательную зоны коаксиально установленными друг над другом двумя кольцевыми перегородками, расположенными на каждом из роторов, при этом на поворотных лопастях противоположного ротора над кольцевой перегородкой выполнен кольцевой паз.

Для упрощения конструкции двигателя система подачи топлива выполнена в виде двух топливных каналов, расположенных внутри центральной оси, каждый из которых посредством двух радиальных каналов в теле нижнего ротора соединен с двумя диаметрально противоположно расположенными форсунками или клапанами, установленными на поворотных лопастях нижнего ротора.

Для упрощения системы запуска двигателя она может быть выполнена в виде системы пуска сжатым воздухом, для чего внутри центральной оси расположен канала высокого давления пускового воздуха, соединенный посредством двух радиальных каналов в теле нижнего ротора с двумя диаметрально противоположно расположенными газовыми клапанами, установленными на поворотных лопастях нижнего ротора.

Заявляемый ДВС принципиально отличается от известных аналогов роторных двигателей тем, что корпус выполнен из двух статоров, вращающихся в разные стороны, тем самым, позволяя одновременно снимать противоположно направленные крутящие моменты, что очень важно для создания газовых турбин или вертолетных двигателей со встречно вращающимися винтами. Отсутствие аналогичного решения среди известных аналогов позволяет говорить о том, что заявляемая конструкция двигателя удовлетворяет условию «изобретательский уровень».

На фиг.1-11 представлены чертежи, поясняющие конструкцию заявляемого двигателя и принцип его действия.

На фиг.1 представлен вид заявляемого двигателя в сборе.

На фиг.2 представлен вид заявляемого двигателя в разобранном виде.

На фиг.3а и 3б представлены фиксаторы в положениях «зафиксировано» и «свободно».

На фиг.4-7 представлены сечения А-А при различных положениях поворотных лопастей двигателя.

На фиг.8 представлено сечение Б-Б двигателя.

На фиг.9 представлены варианты выполнения топливной системы: 9а - с использованием воздушных клапанов для работы на газе; 9б - с использованием форсунок для впрыска дизельного топлива.

На фиг.10 и 11 представлены рисунки роторов 10 и 12 с вырезом передней четверти.

Заявляемый двигатель (см. фиг.1-11) состоит из верхнего статора левого вращения 1 с верхним подшипниковым узлом 2, нижнего статора правого вращения 3 с подшипниковым узлом 4, крепежного подшипникового узла 5, штуцера 6 с топливными магистралями 7 и воздушной магистралью 8. Статоры 1 и 3 установлены подвижно на общей оси 9 (она изготовлена заодно с нижним ротором 12). Внутри статора 1 на оси 9 установлен верхний ротор 10 с парой поворотных лопастей 11, а внутри статора 3 размещен нижний ротор 12 с парой поворотных лопастей 13. Каждый из роторов 10 и 12 на торцевых поверхностях поворотных лопастей 11 и 13 имеет две пары выемок 14, в которых установлены фиксаторы 15(а-г) и фиксаторы 16(а-г). Фиксаторы 15(а-г) осуществляют фиксацию ротора 10 относительно статора 1, а фиксаторы 16(а-г) осуществляют фиксацию ротора 12 относительно статора 3. Каждый фиксатор состоит из фиксирующего ролика 15 (или 16) в торцевой сужающейся относительно статора выемке 14, который поджат подпружиненным подвижным пальцем 17, установленным в отверстии 18. Внутри роторов 10 и 12 выполнены газообменные окна 19 для подачи воздушной смеси, а внутри центральной части ротора 10 - газообменные каналы 20, через которые камеры переменного объема (рабочие камеры), образующиеся между парами лопастей 11 и 13, заполняются воздушной смесью и освобождаются от отработанных выхлопных газов через сквозные отверстия 22 в статоре 1. Внутри поворотных лопастей 13 ротора 12 установлены топливные форсунки 27 или 28 (см. фиг.9а и 9б), соединенные через радиальные каналы 23 ротора 12 и осевые каналы 24 (см. фиг.11), выполненные вдоль оси 9 с топливными магистралями 7. При этом в качестве топлива возможно использование как дизельного топлива, так и горючих газов или их смеси типа пропан-бутан. Используемые газовые клапаны 27 аналогичны по конструкции пусковым воздушным клапанам 25, которые в свою очередь посредством газовых каналов 26 соединены с источником газа высокого давления 8. Каждый воздушный клапан (см.фиг.9а) состоит непосредственно из подпружиненного клапана 27, установленного с возможностью осевого перемещения в камере 29. Целиком топливный клапан или форсунка выполнены в виде специальной сборки 30, которая запрессовывается на поворотных лопастях 13 ротора 12 двигателя.

Для надежной работы фиксаторов 15 и 16 необходимо защитить роторы 1 и 3 от нагара, образуемого от сжигания топлива в рабочих камерах. С этой целью используется подвижная перегородка, образуемая двумя кольцевыми перегородками 31 и 32 (см. фиг.10, 11), которые устанавливаются в кольцевые пазы 33 и 34. Режим газообмена в рабочих камерах А-Д обеспечивается за счет совпадения отверстий 19 в цилиндрических коаксиально расположенных перегородках 35 и 36 роторов 10 и 12.

Заявляемый ДВС работает следующим образом. На фиг.4 разрез А-А (см. фиг.1) показано положение ротора 10 относительно ротора 12 при подготовке к пуску двигателя. В данный момент газообменные каналы 19 роторов 10 и 12 совпадают с окнами газовой магистрали 20. Свежий заряд воздуха заполняет рабочие камеры А и Б, фиксаторы 15а-15г находятся в свободном состоянии.

Пуск двигателя осуществляется подачей сжатого воздуха (см. фиг.5) в рабочие камеры Д и С через пусковые клапаны 25. Под действием силы давления пускового воздуха в камерах Д и С на поворотные лопатки 11 и 13 роторов 10 и 12 ротор 10 начинает вращаться вокруг оси 9 по часовой стрелке, в то время как ротор 12 начинает вращаться против часовой стрелки. При движении роторов газообменные каналы 19 перекрываются, начинается процесс сжатия в рабочих камерах А и Б. При повороте ротора 10 на угол, приблизительно равный одному градусу, по часовой стрелке фиксаторы 15г и 15д, установленные на его поворотных лопастях 13, самостоятельно входят в зацепление (самозаклинивание) со статором 1 (см. фиг.3а и фиг.5), вследствие чего происходит передача крутящего момента от ротора 10 статору 1, вращая его против часовой стрелки, аналогичным образом (на фигурах не показано) при повороте ротора 10 на угол, приблизительно равный одному градусу, по часовой стрелке фиксаторы 16а и 16б на поворотных лопатках 13 ротора 12 входят в зацепление со статором 3, передовая ему крутящий момент по часовой стрелке. В это время фиксаторы 15а, 15б, 16г и 16д находятся в свободном состоянии. Далее при движении роторов в камерах Д и С (см. фиг.6) газообменные каналы 20 совпадают с газообменными окнами 19 роторов 10 и 12, в следствии чего пусковой воздух по открытому каналу устремляется в атмосферу. При этом под действием сил инерции, действующих на роторы 10 и 12 в камерах А и Б, продолжается процесс сжатия воздушного заряда.

В момент достижения крайней точки сближения роторов 10 и 12 их окружная скорость равна нулю, статоры 1 и 3 под действием сил инерции продолжают вращаться, и в результате этого стопорные ролики 15г и 15д, а также 16а и 16б выкатываются в расширенные участки выемок 14 (см. фиг.3б), вследствие чего происходит автоматическое размыкание роторов 10 и 12 от статоров 1 и 3. При этом в камерах Д и С (см. фиг.7) газообменные каналы 20 совпадают с газообменными окнами 19 роторов 10 и 12, в результате чего происходит наполнение камер Д и С свежим зарядом воздуха, а через газовые клапаны 27 (или форсунки 28 при использовании дизельного топлива) производится подача топлива в камеры А и Б (см. фиг.8), под действием температуры сжатого воздуха происходит самовоспламенение топлива, в результате чего в камерах А и Б происходит процесс расширения газа, приводящий в движение роторы 10 и 12. В процессе расширения рабочих газов окружная скорость роторов 10 и 12 становится больше окружной скорости статоров 1 и 3, в результате чего стопорные ролики 15а и 15б (а также 16г и 16д) перекатываются в узкие участки выемок 14 и происходит самозаклинивание ротора 10 со статором 3 (а также ротора 12 со статором 1).

В процессе дальнейшего движения ротора 10 против часовой стрелки и ротора 12 по часовой стрелке в камерах Д и С газообменные каналы 19 перекрываются, начинается процесс сжатия в данных камерах. При движении роторов 10 и 12 в указанных направлениях в камерах А и Б газообменные каналы 20 совпадут с газообменными окнами 19, в результате чего произойдет выпуск отработанных газов, аналогично их выпуску из камер С и Д на фиг.6. При дальнейшем движении роторов 10 и 12 газообменные каналы 20 перекроются, вследствие чего процесс выпуска завершится.

В момент достижения роторами 10 и 12 крайней точки своего сближения мы получим позиции, аналогичные представленным на фиг.4. При этом их окружная скорость станет равна нулю, а статоры 1 и 3 под действием сил инерции будут продолжать вращаться. В результате этого стопорные ролики 15а и 15б (а также 16г и 16д) выкатятся в широкие участки выемок 14 и, как следствие, произойдет автоматическое размыкание роторов от статоров. При этом положение роторов 10 и 12 совпадет с их положением, представленным на фиг.4. В камерах А и Б газообменные каналы 20 снова совпадут с газообменными окнами 19, в результате чего произойдет их наполнение свежим зарядом воздуха, а через форсунки 22 в камеры С и Д будет произведена подача топлива и его воспламенение. Процессы, изображенные на фиг.5-7, снова повторятся. Таким образом возвратно-вращательное движение роторов 10 и 12 преобразуется во вращательное движение статоров 1 и 3.

Заявляемый роторный двигатель изготавливается из деталей, изготавливаемых из алюминиевых сплавов путем их токарной обработки. Это позволяет изготавливать детали с высокой точностью. После токарной обработки все основные детали двигателя подвергаются поверхностному микродуговому оксидированию, что позволяет получать детали с уникальным комплексом физико-механических свойств, таких как высокая поверхностная твердость, низкий коэффициент трения, высокая износостойкость и коррозионная стойкость и т.п. Благодаря этому заявляемый двигатель не нуждается в традиционных способах смазки, когда смазка непрерывно вводится между трущимися поверхностями и требует наличия сальников, уплотнительных прокладок и т.п. Стабильность геометрических размеров основных деталей двигателя в процессе работы позволяет ему длительное время сохранять свои основные технические характеристики, такие как мощность, КПД, расход топлива и др. Благодаря указанной особенности эксплуатационные характеристики заявляемого двигателя существенно улучшаются.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий системы запуска и газообмена, корпус с цилиндрической полостью, в которой с образованием камер переменного объема, соединенных с системой подачи топлива, расположены две пары поворотных лопастей, при этом одна пара поворотных лопастей установлена с возможностью вращения вокруг центральной оси, отличающийся тем, что корпус выполнен разрезным, состоящим из двух полуцилиндров - верхнего и нижнего статоров, установленных с возможностью вращения вокруг центральной оси, причем в каждом из статоров установлен дисковый ротор с закрепленными на нем двумя поворотными лопастями с фиксаторами вращения ротора относительно статора, при этом центральная ось двигателя зафиксирована относительно нижнего ротора, а внутри нее выполнены канал высокого давления подачи пускового воздуха и топливные каналы, соединяющие систему подачи топлива с дозаторами, подающими топливо в камеры переменного объема, которые через подвижную газообменную систему соединены с внешней средой.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждый из роторов представляет собой диск с двумя диаметрально расположенными поворотными лопастями с высотой, равной высоте камер переменного объема, при этом каждая поворотная лопасть выполнена в виде радиального сегмента кольца, на внешней закругленной стороне которого расположены друг под другом два фиксатора вращения, каждый из которых выполнен в виде подпружиненного, вертикально расположенного цилиндрического ролика, установленного в выемке на наружной поверхности поворотной лопасти, образующей со статором двигателя сужающийся радиальный зазор.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что подвижная газообменная система выполнена в виде двух газообменных каналов, соединяющих камеры переменного объема с внешней средой посредством расположенных в теле подвижно установленного относительно оси двигателя дискового ротора и ряда газообменных окон в коаксиально установленной на каждом из роторов цилиндрической перегородке, образующих внутреннюю цилиндрическую поверхность камер переменного объема, а также сквозных отверстий в основании верхнего статора.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что камеры переменного объема разделены на внутреннюю рабочую и внешнюю вспомогательную зоны коаксиально установленными друг над другом двумя кольцевыми перегородками, расположенными на каждом из роторов, при этом на поворотных лопастях противоположного ротора над кольцевой перегородкой выполнен кольцевой паз.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что система подачи топлива выполнена в виде двух топливных каналов, расположенных внутри центральной оси, каждый из которых посредством двух радиальных каналов в теле нижнего ротора соединен с двумя диаметрально противоположно расположенными форсунками или клапанами, установленными на поворотных лопастях нижнего ротора.

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что система запуска двигателя выполнена в виде канала высокого давления пускового воздуха, выполненного в центральной оси, соединенного посредством двух радиальных каналов в теле нижнего ротора с двумя диаметрально противоположно расположенными газовыми клапанами, установленными на поворотных лопастях нижнего ротора.