RU2194164C1 - Rotor positive displacement machine - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: invention can be used in compressors, pneumatic motors and internal combustion engines. Machine has split housing with bores and spherical space. Axes of two shafts fitted on bores intersect at angle relative to each other in center of spherical space. Said space accommodates two rotors secured on shafts and disk partition between rotors forming variable displacement working chambers with walls of spherical space. Rotors are movably coupled with disk partition forming Hooke's joint. End of one shaft is brought out of housing, and end of other shaft is fitted i n blind bore. To change displacement of machine, shaft fitted in housing blind bore is made eccentric being secured in bore for turning, and rotor is installed on shaft for rotation. Axis of part of shaft carrying rotor and axis of part of shaft fitted in bore intersect in center of spherical space. With eccentric shaft being turned in bore, angle between axes of rotor rotation changes, and angle of vibrations of disk partition also changes which leads to change of displacement of each chamber and machine as a whole. Moreover, timing phases displace increasing machine fill factor, and if machine is used as internal combustion engine, compression ratio as to expansion ratio decreases which provides increase of efficiency. EFFECT: enlarged operating capabilities. 3 dwg

Description

Изобретение относится к классу объемных машин с роторным механизмом и может использоваться как компрессор, пневмомотор или как двигатель внутреннего сгорания. The invention relates to the class of volumetric machines with a rotary mechanism and can be used as a compressor, pneumatic motor or as an internal combustion engine.

Известна роторная объемная машина (патент США 4631011 от 23.12.1986), которая состоит из подвижного корпуса со сферической внутренней поверхностью, дисковой мембраной посередине и двумя противоположными отверстиями, через которые в середину корпуса проходят два вала, заканчивающиеся роторами в виде сферических сегментов. Снаружи валы подвижно закреплены в станине под углом друг к другу. От валов отходят вилки, которые подвижно соединены с корпусом таким образом, что вилка и ротор на каждом из валов расположены в одной плоскости, а по отношению к вилке и ротору другого вала они развернуты перпендикулярно. Роторы образуют с корпусом и мембраной четыре камеры переменного объема. При помощи золотников, расположенных в роторах, и каналов в валах, роторах и мембране в этих камерах организуется рабочий процесс, в течение которого попарно противоположные камеры соединяются между собой через мембрану. Объемная машина, выполненная по такой схеме, имеет следующие недостатки. Во-первых, подвижной корпус машины следует защищать от повреждений дополнительным кожухом. Во-вторых, технологически сложно изготовить вал воедино с ротором и вилкой, расположить золотники в роторах, а роторы в корпусе. В-третьих, консольно закрепленные валы испытывают значительные нагрузки. Однако самым главным недостатком является наличие избыточных кинематических связей, количество которых достигает 13. Это накладывает чрезвычайно высокие требования к точности изготовления и сборки машины, а также может привести к значительным силам трения и деформации во время ее работы. Если с целью изменения рабочего объема машины выполнить станину с возможностью изменения угла между осями закрепленных в ней валов, вероятность поломки еще более увеличится. Known rotary volumetric machine (US patent 4631011 from 12.23.1986), which consists of a movable housing with a spherical inner surface, a disk membrane in the middle and two opposite holes through which two shafts pass into the middle of the housing, ending in rotors in the form of spherical segments. Outside, the shafts are movably fixed in the bed at an angle to each other. Forks extend from the shafts, which are movably connected to the housing in such a way that the fork and rotor on each of the shafts are in the same plane, and with respect to the fork and rotor of the other shaft they are turned perpendicularly. The rotors form four chambers of variable volume with the body and membrane. Using spools located in the rotors and channels in the shafts, rotors and membrane in these chambers, a working process is organized during which pairwise opposite chambers are connected to each other through the membrane. A volumetric machine made according to such a scheme has the following disadvantages. Firstly, the movable casing of the machine should be protected from damage by an additional casing. Secondly, it is technologically difficult to make a shaft together with a rotor and a fork, arrange the spools in the rotors, and the rotors in the housing. Third, cantilevered shafts experience significant loads. However, the main drawback is the presence of excess kinematic bonds, the number of which reaches 13. This imposes extremely high requirements on the accuracy of manufacturing and assembly of the machine, and can also lead to significant friction and deformation forces during its operation. If, in order to change the working volume of the machine, a bed is made with the possibility of changing the angle between the axes of the shafts fixed in it, the probability of breakage will increase even more.

Известен сферический двигатель с вращающимися поршнями (патент Японии 47-44565, 1970), содержащий неподвижный разъемный корпус с внутренней сферической полостью, впускным, выпускным и перепускным каналами, размещенные в полости два ротора в виде сферических сегментов с валами, которые закреплены в корпусе под углом друг к другу, и расположенный между роторами диск с приливами, которые подвижно соединяются с вершинами роторов, развернутыми перпендикулярно друг к другу. Роторы и диск разделяют полость корпуса на четыре камеры переменного объема, которые попарно соединяются между собой и внешней средой при помощи каналов, реализуя двухтактный рабочий цикл. Технологически этот двигатель проще предыдущей машины: у него корпус неподвижный, валы, закрепленные непосредственно в корпусе, испытывают меньшие нагрузки. Газораспределение выполняется взаимодействием роторов с окнами и каналами в корпусе двигателя. Однако схема двигателя не предусматривает возможности изменения рабочего объема. Known spherical engine with rotating pistons (Japanese patent 47-44565, 1970), comprising a fixed detachable housing with an internal spherical cavity, inlet, outlet and bypass channels, two rotors placed in the cavity in the form of spherical segments with shafts that are angled in the housing to each other, and a disk with tides located between the rotors, which are movably connected to the tops of the rotors, deployed perpendicular to each other. The rotors and the disk divide the body cavity into four chambers of variable volume, which are connected in pairs between themselves and the external environment using channels, realizing a two-stroke duty cycle. Technologically, this engine is simpler than the previous machine: it has a fixed body, shafts mounted directly in the body, experience less load. Gas distribution is performed by the interaction of rotors with windows and channels in the engine housing. However, the engine design does not provide for the possibility of changing the displacement.

Известна объемная роторная гидромашина (патент РФ 2012823 от 15.11.1994, F 01 C 3/00), содержащая две корпусные детали, жестко соединенные между собой по плоскости разъема, в каждой из которых выполнены цилиндрические расточки и общая сферическая полость с центром, лежащим в плоскости разъема, два вала, установленных в расточках на опорах, расположенных под углом друг к другу, с осями, пересекающимися в центре сферической полости, в последней размещены два закрепленных на валах ротора и расположенная между ними дисковая перегородка, образующие со стенками сферической полости рабочие камеры переменного объема, при этом роторы связаны с дисковой перегородкой с образованием шарнира Гука, причем конец одного вала (приводимого) выведен за пределы корпуса, а другого (ведомого) - введен в глухую цилиндрическую расточку, на периферийной поверхности дисковой перегородки и на сферических поверхностях роторов выполнены углубления с образованием камер гидростатической разгрузки и уплотнительных поясков, на торце ведомого вала или в крышке, размещенной со стороны торца этого вала, установлена подвижная втулка или подпятник с образованием полости гидростатической опоры. Указанная втулка повышает подвижность механизма, но в данном исполнении не позволяет изменять рабочий объем машины. Known volumetric rotary hydraulic machine (RF patent 2012823 from 11/15/1994, F 01 C 3/00), containing two body parts, rigidly interconnected along the plane of the connector, each of which is made of cylindrical bores and a common spherical cavity with the center lying in the plane of the connector, two shafts mounted in bores on bearings located at an angle to each other, with axes intersecting in the center of the spherical cavity, the latter contains two rotors mounted on the shafts of the rotor and located between them, a disk partition forming from the walls spheres of the spherical cavity, the working chambers are of variable volume, while the rotors are connected to the disk partition with the formation of a Hook joint, and the end of one shaft (driven) is pulled out of the housing, and the other (driven) is inserted into a blind cylindrical bore, on the peripheral surface of the disk partition and recesses are made on the spherical surfaces of the rotors with the formation of hydrostatic discharge chambers and sealing belts, installed on the end of the driven shaft or in the cover located on the side of the end of this shaft a movable sleeve or thrust bearing with the formation of a cavity of hydrostatic support. The specified sleeve increases the mobility of the mechanism, but in this design does not allow you to change the working volume of the machine.

Во многих случаях использования объемных машин желательно изменять их рабочий объем. Указанные машины такой возможности не имеют. Задачей изобретения является создание такой роторной объемной машины, рабочий объем которой можно изменять. In many cases of using volumetric machines, it is desirable to change their working volume. These machines do not have such an opportunity. The objective of the invention is the creation of such a rotary volumetric machine, the working volume of which can be changed.

Для достижения задачи предлагается роторная объемная машина, содержащая разъемный корпус, в котором выполнены расточки и сферическая полость, два вала, установленных в расточках, оси которых пересекаются под углом друг к другу в центре сферической полости, в последней размещены два закрепленных на валах ротора и расположенная между ними дисковая перегородка, образующие со стенками сферической полости рабочие камеры переменного объема, при этом роторы подвижно связаны с дисковой перегородкой с образованием шарнира Гука, причем конец одного вала выведен за пределы корпуса, а конец другого вала введен в глухую расточку, отличающаяся тем, что вал, выведенный в глухую расточку корпуса, выполнен эксцентрическим и закреплен в расточке с возможностью поворота, ротор закреплен на нем подвижно с возможностью вращения, причем ось части вала, несущей ротор, и ось части вала, закрепленной в расточке, пересекаются в центре сферической полости. To achieve the goal, a rotary volumetric machine is proposed, comprising a detachable body in which bores and a spherical cavity are made, two shafts installed in the bores, the axes of which intersect at an angle to each other in the center of the spherical cavity, the last one contains two rotors mounted on the shafts and located between them a disk partition, forming working chambers of variable volume with the walls of the spherical cavity, while the rotors are movably connected to the disk partition with the formation of a Hook hinge, the end being one the shaft is brought out of the housing, and the end of the other shaft is inserted into a blind bore, characterized in that the shaft brought into the blind bore of the body is eccentric and rotatably fixed in the boring, the rotor is mounted on it movably with rotation, and the axis of the part the shaft carrying the rotor, and the axis of the shaft part fixed in the bore intersect in the center of the spherical cavity.

На фиг. 1 и 2 изображен роторный двигатель внутреннего сгорания с переменным рабочим объемом; на фиг.3 - его фазы газораспределения. In FIG. 1 and 2 depict a rotary internal combustion engine with a variable displacement; figure 3 - its valve timing.

На фиг. 1 и 2 изображен двухтактный роторно-пошневой двигатель, который содержит разъемный корпус 1 со сферической внутренней полостью, внутри которой находятся два ротора 2 и 3 в виде сферических сегментов с дисковой перегородкой (далее диск) 4 между ними. Диск делит внутреннюю полсть двигателя на две части - компрессорную с ротором 3 и рабочую с ротором 2. В корпусе выполнены впускное окно 5 и выпускное окно 6 для компрессорной части, а для рабочей части выполнены впускное окно 7 и выпускное окно 8. Выпускное окно 6 компрессора сообщается с впускным окном 7 рабочей части через продувочный ресивер 9. В роторах выполнены карманы, которые имеют возможность совмещаться с впускными и выпускными окнами, обеспечивая внешние фазы впуска и выпуска из двигателя и фазы внутреннего газообмена - продувки и впуска в рабочую часть. Рабочий ротор 2 закреплен неподвижно на выходном валу 10, который выходит наружу через подшипниковый узел в расточке корпуса. Ротор компрессора 3 размещен на эксцентрическом валу 11 с возможностью вращения. Эксцентрический вал 11 закреплен в глухой расточке корпуса с возможностью поворота. Оси вращения роторов и ось части вала 11, закрепленной в расточке, пересекаются в центре сферической полости. На обеих сторонах диска выполнены полуцилиндрические приливы, сопрягающиеся с вершинами роторов, таким образом, что последние расположены перпендикулярно друг другу и составляют вместе с диском шарнир Гука. In FIG. 1 and 2 depict a two-stroke rotary-gut engine, which contains a detachable housing 1 with a spherical inner cavity, inside of which are two rotors 2 and 3 in the form of spherical segments with a disk partition (hereinafter disk) 4 between them. The disk divides the inner cavity of the engine into two parts - the compressor with the rotor 3 and the working one with the rotor 2. The inlet 5 and the outlet 6 for the compressor part are made in the housing, and the inlet 7 and the outlet 8 are made for the working part. communicates with the inlet window 7 of the working part through the purge receiver 9. The rotors are made pockets that can be combined with the inlet and outlet windows, providing external phases of the inlet and outlet of the engine and the phases of the internal gas exchange - purge and inlet ska in the working part. The working rotor 2 is fixedly mounted on the output shaft 10, which goes out through the bearing assembly in the housing bore. The compressor rotor 3 is rotatably mounted on the eccentric shaft 11. The eccentric shaft 11 is mounted in a blind bore of the housing with the possibility of rotation. The axis of rotation of the rotors and the axis of the shaft portion 11 fixed in the bore intersect at the center of the spherical cavity. Semicylindrical tides are made on both sides of the disk, mating with the tops of the rotors, so that the latter are perpendicular to each other and together with the disk form a Hook joint.

При повороте роторов диск 4 совершает поворотно-колебательное движение между ними, изменяя объемы компрессорных и рабочих камер. С одной стороны диска, в компрессорной части двигателя, карман в роторе 3 открывает впускное окно 5, через которое рабочий газ поступает в одну из компрессорных камер до момента, когда окно 5 снова закроется (фиг.1). В это же время в другой компрессорной камере происходит сжатие поступившего перед этим газа, а когда другой карман ротора 3 открывает выпускное окно 6, сжатый газ из этой компрессорной камеры поступает в ресивер 9. При повороте вала на 180^o камеры меняются местами. С другой стороны диска, в рабочей части двигателя, один карман рабочего ротора 2 открывает выпускное окно 8, начинается фаза выпуска отработавших газов (фиг. 2). Затем ротор 2 открывает своей гранью расположенное рядом впускное окно 7, через которое из ресивера 9 поступает свежий заряд, обеспечивая продувку, а после закрытия выпускного окна 8 - впуск в рабочую камеру. В то же время в другой рабочей камере происходит воспламенение и горение сжатой смеси в камере сгорания, образованной другим карманом ротора, а затем расширение сгоревших газов. При повороте вала на 180^o камеры меняются местами. За один поворот вала рабочий цикл повторяется дважды (по разу для каждой пары камер).When turning the rotors, the disk 4 performs a rotational-oscillatory movement between them, changing the volumes of the compressor and working chambers. On one side of the disk, in the compressor part of the engine, the pocket in the rotor 3 opens the inlet window 5, through which the working gas enters one of the compressor chambers until the window 5 closes again (Fig. 1). At the same time, the gas received before this is compressed in another compressor chamber, and when the other pocket of the rotor 3 opens the exhaust window 6, the compressed gas from this compressor chamber enters the receiver 9. When the shaft rotates through 180 ^{o, the} chambers are interchanged. On the other side of the disk, in the working part of the engine, one pocket of the working rotor 2 opens the exhaust window 8, the exhaust phase begins (Fig. 2). Then, the rotor 2 opens with its face the adjacent inlet window 7, through which fresh charge comes from the receiver 9, providing a purge, and after closing the outlet window 8, the inlet to the working chamber. At the same time, in another working chamber, the compressed mixture ignites and burns in the combustion chamber formed by another pocket of the rotor, and then the expansion of the burnt gases. When the shaft is rotated 180 ^{°, the} cameras change places. For one rotation of the shaft, the duty cycle is repeated twice (once for each pair of chambers).

Рабочий объем каждой камеры есть разница между ее наибольшим и наименьшим объемом и зависит от угла α колебания диска, который, в свою очередь, зависит от угла β между осями вращения роторов
α = 2β. (1).
Угол β между осями вращения роторов можно менять, поворачивая эксцентрический вал. При углах, меньше π/6 рад. (30 град.), имеем

где γ - угол эксцентриситета вала;
λ - угол поворота вала;
φ - угол между осями расточек в корпусе под валы 10 и 11.The working volume of each chamber is the difference between its largest and smallest volume and depends on the angle α of oscillation of the disk, which, in turn, depends on the angle β between the axes of rotation of the rotors
α = 2β. (1).
The angle β between the axes of rotation of the rotors can be changed by turning the eccentric shaft. At angles less than π / 6 rad. (30 deg.), We have

where γ is the angle of the eccentricity of the shaft;
λ is the angle of rotation of the shaft;
φ is the angle between the axes of the bores in the housing under the shafts 10 and 11.

При этом изменяется положение относительно корпуса плоскости, в которой лежат оси вращения роторов, определяющей точки минимального и максимального объема камер. Это приводит к смещению фаз впуска-выпуска. Угол поворота плоскости и смещения фаз
ε = arctg[γsinλ/(φ+γcosλ)] (3).
При повороте эксцентрического вала на угол λ уменьшается угол β между осями вращения роторов и угол α колебаний диска в соответствии с формулами (2) и (1). Это приводит к уменьшению рабочего объема и степени сжатия компрессорной и рабочей части. Кроме того, в соответствии с формулой (3) смещаются фазы газроаспределения на угол ε. Графики фаз газораспределения приведены на фиг. 3. Смещение фаз газораспределения приводит к увеличению коэффициента наполнения и удельной мощности двигателя, а также к уменьшению степени сжатия при одновременном увеличении степени расширения, что повышает термодинамический КПД двигателя.This changes the position relative to the housing of the plane in which the axis of rotation of the rotors lie, which determines the points of the minimum and maximum volume of the chambers. This leads to a shift in the intake-exhaust phases. Angle of rotation of the plane and phase displacement
ε = arctg [γsinλ / (φ + γcosλ)] (3).
When the eccentric shaft is rotated through the angle λ, the angle β between the rotational axes of rotation of the rotors and the angle α of the disk vibrations decrease in accordance with formulas (2) and (1). This leads to a decrease in the working volume and compression ratio of the compressor and working parts. In addition, in accordance with formula (3), the gas distribution phases are shifted by an angle ε. The timing diagrams are shown in FIG. 3. The shift of the valve timing leads to an increase in the fill factor and specific power of the engine, as well as to a decrease in the compression ratio while increasing the expansion ratio, which increases the thermodynamic efficiency of the engine.

Claims (1)

Роторная объемная машина, содержащая разъемный корпус, в котором выполнены расточки и сферическая полость, два вала, установленных в расточках, оси которых пересекаются под углом друг к другу в центре сферической полости, в последней размещены два закрепленных на валах ротора и расположенная между ними дисковая перегородка, образующие со стенками сферической полости рабочие камеры переменного объема, при этом роторы подвижно связаны с дисковой перегородкой с образованием шарнира Гука, причем конец одного вала выведен за пределы корпуса, а конец другого вала введен в глухую расточку, отличающаяся тем, что вал, выведенный в глухую расточку корпуса, выполнен эксцентрическим и закреплен в расточке с возможностью поворота, ротор закреплен на нем подвижно с возможностью вращения, причем ось части вала, несущей ротор и ось части вала, закрепленной в расточке, пересекаются в центре сферической полости. A rotary volumetric machine comprising a detachable body in which bores and a spherical cavity are made, two shafts installed in the bores, the axes of which intersect at an angle to each other in the center of the spherical cavity, the latter has two rotor mounted on the rotor shafts and a disk partition located between them forming working chambers of variable volume with the walls of the spherical cavity, the rotors being movably connected to the disk partition with the formation of a Hook joint, with the end of one shaft outside the housing and the end of the other shaft is inserted into a blind bore, characterized in that the shaft brought into the blind bore of the housing is eccentric and rotatably fixed in the boring, the rotor is mounted movably thereon with rotation, and the axis of the shaft part carrying the rotor and axis parts of the shaft fixed in the bore intersect at the center of the spherical cavity.

Images