RU2270343C2 - Spherical rotor machine with toroidal pistons - Google Patents

Abstract

FIELD: internal combustion engines.

SUBSTANCE: rotor machine comprises spherical housing with inlet and outlet passages, rotor and two output shafts whose axes intersect at an angle at the center of the sphere. The rotor is made of a sphere provided with nonintersecting toroidal grooves that are arranged in mutually perpendicular planes symmetrically with respect to the common axis. The grooves receive toroidal pistons that define four toroidal working spaces together with the faces of the grooves of the rotor and inner spherical surface of the housing. The working spaces can pulsate when output shaft rotate.

EFFECT: enhanced reliability.

5 dwg

Description

Изобретение относится к тем областям техники, где применяются различные машины, работающие по принципу изменения объема некоторой активной (например, расширяющийся газ) или пассивной (например, жидкость) среды. Примерами таких машин являются компрессоры, гидроприводы, пневматические приводы, двигатели внутреннего сгорания, паровые машины. В широко распространенном подклассе таких машин рабочими элементами являются, например поршни, движущиеся возвратно - поступательно в цилиндрах. Это движение каким-либо механизмом, например кривошипно-шатунным, преобразуется во вращение выходного вала. Характерной их особенностью являются значительные знакопеременные инерционные нагрузки и малое отношение величины рабочего объема к габариту. Однако их достоинством является то, что поверхности соприкосновения рабочих элементов (поршня и цилиндра) имеют равную кривизну, что определяет простоту конструктивных решений уплотнений рабочих объемов. Другим подклассом таких машин являются роторные машины, в которых периодическое изменение рабочего объема происходит при непрерывном комбинированном вращении ротора специальной формы, непрерывно скользящего своими выступами по стенкам трохоидального цилиндра. При этом также образуются несколько изменяющихся рабочих объемов, что может быть использовано для создания, например, двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Такие двигатели созданы несколько десятилетий тому назад и применяются серийно (например, двигатель Ванкеля). Существуют и другие конструктивные схемы такого типа (например, двигатель Веселовского), но всех их объединяет наличие проблем, связанных с необходимостью обеспечить эффективное уплотнение находящихся под высоким давлением рабочих объемов, образованных скользящими друг по другу поверхностями, имеющими различную кривизну. Известны конструктивные решения, в которых одинаковая кривизна соприкасающихся поверхностей рабочих объемов достигается применением лопаток, вращающихся относительно оси цилиндра и соприкасающихся с ее образующими (например, US 6550442 B2, 22.04.2003, F 02 B 53/00). Эти лопатки имеют сложное движение относительно эксцентричного ротора, поэтому конструкция элементов уплотнения в местах взаимного пересечения лопаток и ротора получается достаточно громоздкой Все сказанное выше относится ко всем устройствам (ДВС, компрессорам, насосам, приводам), сконструированным на базе этих машин.The invention relates to those fields of technology where various machines are used, operating on the principle of changing the volume of some active (e.g., expanding gas) or passive (e.g., liquid) medium. Examples of such machines are compressors, hydraulic drives, pneumatic drives, internal combustion engines, steam engines. In the widespread subclass of such machines, the working elements are, for example, pistons moving back and forth in cylinders. This movement by any mechanism, such as a crank, is converted into rotation of the output shaft. Their characteristic feature is significant alternating inertial loads and a small ratio of the working volume to the size. However, their advantage is that the contact surfaces of the working elements (piston and cylinder) have equal curvature, which determines the simplicity of the design solutions of the working volume seals. Another subclass of such machines is rotor machines, in which a periodic change in the working volume occurs during the continuous combined rotation of a special-shaped rotor continuously sliding with its protrusions along the walls of the trochoidal cylinder. At the same time, several changing working volumes are also formed, which can be used to create, for example, an internal combustion engine (ICE). Such engines were created several decades ago and are used in series (for example, the Wankel engine). There are other structural schemes of this type (for example, the Veselovsky engine), but all of them are united by the problems associated with the need to ensure effective compaction of high-pressure working volumes formed by surfaces sliding along one another having different curvatures. Known structural solutions in which the same curvature of the contacting surfaces of the working volumes is achieved by the use of blades rotating about the axis of the cylinder and in contact with its generators (for example, US 6550442 B2, 04.22.2003, F 02 B 53/00). These blades have a complex movement relative to the eccentric rotor, therefore, the design of the sealing elements at the intersection of the blades and the rotor turns out to be rather cumbersome.All of the above applies to all devices (ICE, compressors, pumps, drives) designed on the basis of these machines.

Известны также (например, FR 2318306 А, 11.02.1977, F 02 В 53/02, RU 2144985 С1, 27.11.2000, F 01 С 3/00) конструкции роторных машин объемного вытеснения, состоящих из трех роторов, заключенных в корпус со сферической полостью и имеющих внешние сферические поверхности, прилегающие к этой полости. При этом крайние роторы имеют форму, близкую к форме апельсиновой дольки (onglet), и соединяются ортогонально расположенными диаметральными шарнирами с центральным ротором, имеющим форму фигурно изогнутой шайбы с периферийной сферической поверхностью, прилегающей к полости корпуса. Движение системы происходит при вращении запрессованных в крайние роторы по их осям симметрии валов, оси которых пересекаются в центре сферы под углом друг к другу. Несферические поверхности роторов соприкасаются друг с другом по поверхностям шарниров и образуют четыре рабочих объема, которые используются в зависимости от назначения роторной машины. Конструкция по FR 2318306 А принимается в качестве ближайшею аналога.Also known (for example, FR 2318306 A, 02/11/1977, F 02 B 53/02, RU 2144985 C1, 11.27.2000, F 01 C 3/00) designs of rotary displacement machines, consisting of three rotors enclosed in a housing with spherical cavity and having external spherical surfaces adjacent to this cavity. At the same time, the extreme rotors have a shape close to the shape of an orange onglet and are connected by orthogonally located diametrical hinges with a central rotor having the shape of a curved washer with a peripheral spherical surface adjacent to the body cavity. The movement of the system occurs during the rotation of the shafts pressed into the extreme rotors along their axes of symmetry, the axes of which intersect at the center of the sphere at an angle to each other. The non-spherical surfaces of the rotors are in contact with each other on the surfaces of the hinges and form four working volumes, which are used depending on the purpose of the rotary machine. Design according to FR 2318306 A is taken as the closest analogue.

Недостатками данного конструктивного решения является наличие значительных механических напряжений в диаметральных шарнирах и малая площадь поверхности взаимного касания роторов, что определяет трудности обеспечения уплотнения между рабочими объемами и достаточной прочности механизма.The disadvantages of this design solution is the presence of significant mechanical stresses in the diametrical joints and a small surface area of mutual contact of the rotors, which determines the difficulties of providing a seal between the working volumes and sufficient strength of the mechanism.

Техническая задача, решаемая данным изобретением, состоит в уменьшении удельных механических нагрузок в элементах, передающих крутящий момент роторной машины, и увеличение эффективности уплотнений между рабочими объемами.The technical problem solved by this invention is to reduce the specific mechanical loads in the elements transmitting the torque of the rotor machine, and increase the efficiency of the seals between the working volumes.

Указанная задача решается в роторной машине объемного вытеснения, содержащей сферический корпус с входными и выпускными каналами, ротор и два выходных вала, оси которых пересекаются под углом в центре сферы, согласно изобретению, ротор выполнен в виде сферы, из которой в двух взаимно перпендикулярных центральных плоскостях вырезаны симметричные относительно общей оси, совпадающей с линией пересечения указанных плоскостей, непересекающиеся тороидальные пазы, в которых располагаются соответствующие им по форме тороидальные поршни, образующие вместе с торцами пазов ротора и внутренней сферической поверхностью корпуса четыре тороидальных рабочих объема, имеющих возможность пульсации при вращении выходных валов, осесимметрично соединенных с поршнями.This problem is solved in a rotary volume displacement machine containing a spherical body with inlet and outlet channels, a rotor and two output shafts, the axes of which intersect at an angle in the center of the sphere, according to the invention, the rotor is made in the form of a sphere from which in two mutually perpendicular central planes symmetric with respect to the common axis, coinciding with the intersection line of the indicated planes, disjoint toroidal grooves are cut in which the toroidal pistons corresponding in shape are arranged, binders together with the ends of the rotor slots and the inner spherical surface of the housing four toroidal working volume, having the ability ripple during rotation of the output shaft axially connected to the pistons.

Изобретение поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:

Фиг.1. Роторная машина. Вариант: 4-тактный ДВС. Разрез.Figure 1. Rotary machine. Option: 4-stroke ICE. Incision.

Фиг.2. Ротор. Общий вид.Figure 2. Rotor. General form.

Фиг.3. Роторная машина. Вариант: 4-тактный ДВС. Сечение по А-А. Figure 3. Rotary machine. Option: 4-stroke ICE. Section A-A.

Фиг.4. Роторная машина. Вариант: гидропневмопривод. Разрез.Figure 4. Rotary machine. Option: hydropneumatic actuator. Incision.

Фиг.5. Роторная машина. Вариант: гидропневмопривод. Сечение по В-В.Figure 5. Rotary machine. Option: hydropneumatic actuator. The cross-section in BB.

Роторная машина, показанная на фиг.1 в варианте ДВС, содержит, в основном, семь частей: центральный сферический ротор 1, сферический корпус, состоящий из двух соединенных фланцами частей 2 и 3, а также тороидальных поршней 4 и 5, которые имеют общие оси симметрии с соединенными с ними выходными валами 6 и 7. На вал 7 напрессована шестерня 8 привода механизма газораспределения.The rotor machine shown in FIG. 1 in an ICE embodiment contains mainly seven parts: a central spherical rotor 1, a spherical body consisting of two parts 2 and 3 connected by flanges, as well as toroidal pistons 4 and 5, which have common axes symmetries with the output shafts 6 and 7 connected to them. A gear 8 of the timing gear drive is pressed onto the shaft 7.

Общий вид ротора показан на фиг.2. Ротор 1 выполнен в виде сферы, из которой в двух взаимно перпендикулярных центральных плоскостях вырезаны симметричные относительно общей оси, совпадающей с линией пересечения указанных плоскостей, непересекающиеся тороидальные пазы, имеющие, в данном случае, трапецеидальное поперечное сечение. Тороидальные поршни образуют вместе с торцами пазов ротора и внутренней сферической поверхностью корпуса четыре тороидальных рабочих объема, имеющих возможность пульсации при вращении выходных валов, проходя цикл расширение-сжатие один раз за полный оборот валов.A general view of the rotor is shown in FIG. The rotor 1 is made in the form of a sphere from which disjoint toroidal grooves are cut in two mutually perpendicular central planes that are symmetrical about a common axis, coinciding with the line of intersection of these planes, having, in this case, a trapezoidal cross section. The toroidal pistons form, together with the ends of the grooves of the rotor and the inner spherical surface of the housing, four toroidal displacements that can ripple when the output shafts rotate, passing the expansion-compression cycle once per full revolution of the shafts.

На фиг.3 показано сечение машины по линии А-А в таком положении, когда один из четырех рабочих объемов, нижний по рисунку, имеет максимальное значение, а верхний - минимальное. Другие два рабочих объема в данный момент равны и находятся в противоположных фазах изменения. Подпружиненные клапаны 9, 10, 11 и 12, управляемые кулачками 13, 14, 15 и 16, вращаемыми через понижающий редуктор (на чертеже не показан) от шестерни 8, обеспечивают впуск топливной смеси и выпуск отработанных газов соответственно известным условиям четырехтактного цикла. Свеча зажигания 17 обеспечивает воспламенение сжатой смеси в нужный момент. Как следует из фиг.3, рабочие объемы по мере вращения изменяют свое положение относительно впускного и выпускного клапанов, что требует учета этого обстоятельства при выборе мест их установки. При работе машины в качестве ДВС в малом объеме будет выделяться значительное количество тепла. Для его удаления можно применить внешнюю рубашку водяного охлаждения, как у обычного ДВС, и сквозную прокачку масла через осевые каналы выходных валов и сферического ротора (не показаны). Уплотняющие элементы там, где это необходимо, могут быть выполнены в виде сегментов тонких радиально подпружиненных пластин, расположенных в соответствующих пазах ротора и поршней, и их действие ничем не отличается от действия обычных поршневых колец ДВС.Figure 3 shows the cross section of the machine along the line AA in such a position when one of the four working volumes, the lower one in the figure, has a maximum value and the upper one is a minimum. The other two working volumes are currently equal and are in opposite phases of change. Spring-loaded valves 9, 10, 11, and 12, controlled by cams 13, 14, 15, and 16, rotated through a reduction gear (not shown) from gear 8, provide fuel mixture inlet and exhaust gas discharge according to known conditions of the four-stroke cycle. The spark plug 17 provides ignition of the compressed mixture at the right time. As follows from figure 3, the working volumes as they rotate change their position relative to the inlet and outlet valves, which requires taking this into account when choosing their installation location. When the machine operates as an internal combustion engine in a small volume, a significant amount of heat will be generated. To remove it, you can use an external water-cooling jacket, like a conventional ICE, and through pumping oil through the axial channels of the output shafts and the spherical rotor (not shown). Sealing elements, where necessary, can be made in the form of segments of thin radially spring-loaded plates located in the corresponding grooves of the rotor and pistons, and their action is no different from the action of ordinary piston rings of the internal combustion engine.

Если убрать управляемые клапаны и свечу зажигания, а также расположить нужным образом впускные и выпускные отверстия, то роторная машина сможет работать в режиме реверсивного привода (гидравлического или пневматического), а также в режиме паровой машины. При этом требуемые отсечки подачи рабочей среды будут обеспечиваться автоматически за счет движения рабочих объемов мимо впускных отверстий. Эти варианты машины показаны в двух проекциях на фиг.4 и 5. Они отличаются только использованием впускных и выпускных отверстий 18,19, 20 и 21, поскольку при применении сжатого газа или пара важно установить оптимальную отсечку подачи рабочей среды для более полного использования ее внутренней энергии. Поэтому при показанном стрелкой направлении вращения машины отверстие 19 целесообразно заглушить. Гидравлический и пневматический приводы являются обратимыми и могут использоваться в режиме насоса (компрессора) без каких-либо изменений.If the controlled valves and spark plug are removed, and the inlet and outlet openings are properly positioned, then the rotary machine will be able to work in reverse drive mode (hydraulic or pneumatic), as well as in steam engine mode. In this case, the required cutoffs of the supply of the working medium will be provided automatically due to the movement of the working volumes past the inlet openings. These machine options are shown in two projections in figures 4 and 5. They differ only in the use of the inlet and outlet openings 18,19, 20 and 21, since when using compressed gas or steam, it is important to establish the optimal cut-off of the working medium supply for more complete use of its internal energy. Therefore, with the direction of rotation of the machine shown by the arrow, the hole 19 is advantageously plugged. Hydraulic and pneumatic drives are reversible and can be used in pump (compressor) mode without any changes.

Claims (1)

Роторная машина объемного вытеснения, содержащая сферический корпус с входными и выпускными каналами, ротор и два выходных вала, оси которых пересекаются под углом в центре сферы, отличающаяся тем, что ротор выполнен в виде сферы, из которой в двух взаимно перпендикулярных центральных плоскостях вырезаны симметричные относительно общей оси, совпадающей с линией пересечения указанных плоскостей, непересекающиеся тороидальные пазы, в которых располагаются соответствующие им по форме тороидальные поршни, образующие вместе с торцами пазов ротора и внутренней сферической поверхностью корпуса четыре тороидальных рабочих объема, имеющих возможность пульсации при вращении выходных валов, осесимметрично соединенных с поршнями.A rotary volume displacement machine comprising a spherical body with inlet and outlet channels, a rotor and two output shafts, the axes of which intersect at an angle in the center of the sphere, characterized in that the rotor is made in the form of a sphere from which symmetrical relative to two mutually perpendicular central planes are cut a common axis that coincides with the intersection line of the indicated planes, disjoint toroidal grooves in which the toroidal pistons corresponding to them in shape are located, forming together with the ends of the grooves in the rotor and the inner spherical surface of the housing there are four toroidal displacement volumes, which have the possibility of pulsation during rotation of the output shafts, axisymmetrically connected to the pistons.

Images