Обзор роторно-лопастных конструкций

Двухроторно-поршневой механизм

В статье В. Вяда рассматривается устройство двухроторно-поршневого механизма. Основу устройства составляет кольцевая камера, образованная двумя цилиндрическими поверхностями: внутренней и внешней, и двумя боковыми поверхностями. В камеру помещены несколько поршней, соединенных жесткой связью с двумя роторами, закон вращения которых задается специальным приводом с эллиптическими зубчатыми шестернями. На одних участках кольцевой камеры происходит замедление движения поршней, на других – ускорение, причём поршни, которые движутся быстрее, догоняют те поршни, которые движутся медленнее или «убегают» от них, в результате чего расстояния между поршнями постоянно меняются и объёмы заключённые между ними также постоянно меняются и, если поршни притёрты с достаточной точностью к поверхностям кольцевой камеры, то и давления газа или жидкости в этих объёмах также меняются. Данное устройство может найти применение в насосах, пневматических и гидравлических моторах, двигателях внутреннего и внешнего сгорания.

Двухроторно-поршневой механизм [Электронный ресурс].

Проект «Интегральный силовой агрегат»

В патенте RU 2302539 C2 рассматривается способ работы и устройство роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания с системой газоаккумуляторной рекуперации. Способ работы двигателя внутреннего сгорания заключается в сжатии рабочего тела в полости сжатия, вытеснении рабочего тела в камеру сгорания, сжигании в рабочем теле топлива, перепуске из камеры сгорания в полость расширения, расширении и замене отработавших газов свежим зарядом. Причем отношение массы рабочего тела, перепущенного за рабочий цикл из полости сжатия в камеру сгорания, к массе рабочего тела, перепущенного из камеры сгорания в полость расширения регулируют, изменяя тем самым отношение работы расширения к работе сжатия. Часть отработавших газов охлаждают и смешивают со свежим зарядом, причем массовую долю отработавших газов в свежем заряде регулируют от нуля до единицы. Двигатель для осуществления способа содержит цилиндрическую рабочую полость с двумя соосными роторами с лопастями, механизм передачи, камеру сгорания, торцевые крышки рабочей полости, систему подачи топлива. Механизм передачи выполнен в виде, по крайней мере, двух коленчатых валов, вращающихся в водиле. Каждый коленчатый вал имеет, по крайней мере, две шатунные шейки, через которые посредством шатунов коленчатый вал соединен со ступицами роторов, и, по крайней мере, один зубчатый венец, который находится с зацеплении, по меньшей мере, с одним неподвижным колесом. Замена отработавших газов в рабочих камерах свежим зарядом осуществляется через каналы, сообщающиеся с рабочей полостью и перекрываемая управляемыми клапанами. Камера сгорания выполнена в виде жаровых труб, сообщающихся с газовым ресивером. Данное устройство использовано при проектировании, так называемого «Интегрального силового агрегата», разработанного на кафедре ДВС Нижегородского государственного технического университета. Основной смысл изобретения заключен в новом сочетании узлов, который приведет к кардинальному улучшению в первую очередь экономических и экологических показателей автомобильного силового агрегата. 


Роторно-лопастной двигатель Гридина

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с неравномерным движением рабочих органов в кольцевой рабочей камере, его наилучшее применение в качестве секции многосекционного двигателя внутреннего сгорания. Оно может также использоваться как роторная машина объемного типа, пневмо- и гидромашина, при создании насосов, компрессоров, гидроприводов.
Двигатель содержит кольцевую рабочую камеру с впускными и выпускными отверстиями, торцовые крышки, выходной вал и лопастные роторы (разделяющие внутренний объем камеры на изолированные друг от друга сектора), свечу зажигания и механизм периодического изменения скоростей. Последний выполнен в виде зубчатой передачи с внешним или внутренним зацеплением, колесо которой жестко связано с лопастным ротором. Шестеренка располагается с торца двигателя, имеет неподвижную ось вращения и жестко связана с кривошипом, на полуоси которого крепится ползун, скользящий по направляющей, жестко закрепленной на валу, который имеет неподвижную ось вращения, находящуюся между осью шестеренки и полуосью кривошипа, и кинематическое соединение с ведущим валом. 
Кроме того, кинематическое соединение осуществляется через жесткое крепление валов с направляющими на выходном валу или через зубчатую передачу двух и более зубчатых колес, одно из которых жестко закреплено на ведущем валу, а другие – на валах с направляющими.
Помимо этого, каждая пара лопастных роторов может иметь одну и более шестеренок с кривошипом, расположенных на одной торцовой крышке корпуса или на двух противоположных, и соответствующее количество валов с направляющими.
Анализ работы экспериментальной модели показывает, что двигатель отличается конструкцией механизма периодического изменения скоростей, он лишен вибрации, так как в его конструкции все детали уравновешиваются, он обеспечивает любые степени сжатия, которое зависит от расположения оси вращения вала с направляющей относительно оси шестеренки с кривошипом и полуосью кривошипа. Надежность двигателя достигается выбором схемы механизма периодического изменения скоростей, количеством необходимых узлов, составляющих этот механизм, и их размеров.

Роторно-лопастной двигатель Гридина. // Энергетика и промышленность России № 10 (74). – 2006. – октябрь.
Электронный ресурс

Роторный двигатель внутреннего сгорания Лаптевых

Повышение мощности двигателя и упрощение управления системой заслонок достигается тем, что в роторном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус с внутренней цилиндрической полостью и камерами сгорания, снабженными перекрывающимися перепускными каналами, ротор и систему заслонок, установленных в пазах корпуса и контактирующих с профилированной внешней поверхностью ротора, внутренняя цилиндрическая полость разделена на самостоятельные полости сжатия и расширения, сообщающиеся между собой через четное число равномерно размещенных по окружности камер сгорания, ротор состоит из установленных на общем валу и размещенных в полостях сжатия и расширения дисков, на внешних поверхностях которых выполнены чередующиеся с цилиндрическими частями сегментообразные вырезы, которые вместе с заслонками образуют переменные рабочие объемы для осуществления термодинамических процессов и количество которых в два раза меньше количества камер сгорания, диски развернуты относительно друг друга так, что напротив каждого сегментообразного выреза одного расположена цилиндрическая часть другого, заслонки попарно размещены около каждой камеры сгорания, причем одна из заслонок каждой пары установлена в полости сжатия, а другая в полости расширения. 
Корпус двигателя может быть выполнен разборным, состоящим из центрального элемента с камерами сгорания и перепускными каналами, статорных элементов, образующих внутренние цилиндрические полости сжатия и расширения и имеющих пазы для установки заслонок, и боковых крышек с местами крепления вала ротора, а между контактирующими элементами корпуса и ротора могут быть установлены кольцевые уплотнения. 
Заслонки могут быть подпружинены, снабжены перекрывающимися каналами впуска-выпуска и выполнены в виде двух подвижных профилированных соприкасающихся пластинок, между которыми могут быть образованы каналы для подачи смазывающей жидкости.
С целью повышения КПД и улучшения экологических показателей двигателя рабочие объемы в полости расширения могут быть выполнены больше, чем в полости сжатия. 
С целью обеспечения воздушного охлаждения двигателя диски ротора могут быть снабжены установленными под углом к их осям ребрами жесткости, а во внутренних частях центрального элемента и боковых крышек корпуса могут быть выполнены вентиляционные окна. 
Разделение внутренней цилиндрической полости корпуса на самостоятельные полости сжатия и расширения, сообщающиеся между собой через четное число равномерно размещенных по окружности камер сгорания, выполнение ротора из установленных на общем валу и размещенных в полостях сжатия и расширения дисков, на внешних поверхностях которых имеются чередующиеся с цилиндрическими частями сегментообразные вырезы, которые вместе с заслонками образуют переменные рабочие объемы и количество которых в два раза меньше количества камер сгорания, разворот дисков так, чтобы напротив каждого сегментообразного выреза одного располагалась цилиндрическая часть другого, попарное размещение заслонок около каждой камеры сгорания, установка одной из заслонок каждой пары в полости сжатия, а другой в полости расширения позволяет в несколько раз повысить мощность двигателя за счет увеличения количества рабочих циклов, совершаемых за один оборот ротора, и упростить управление заслонками до минимума, поскольку для его осуществления не требуется никаких механизмов, кроме пружин, прижимающих их к внешним профилированным поверхностям ротора. Количество рабочих циклов за один оборот ротора и соответственно степень повышения мощности двигателя зависит от количества камер сгорания. При двух камерах за один оборот ротора в предлагаемом двигателе совершается два рабочих цикла, при четырех камерах – восемь, при шести – восемнадцать и т.д. 
Выполнение корпуса двигателя разборным позволяет существенно упростить технологию его изготовления, а выполнение заслонок из двух профилированных пластинок - достаточно просто обеспечить смазку рабочих поверхностей двигателя. 
Выполнение рабочих объемов в полости расширения больше рабочих объемов в полости сжатия позволяет осуществить в двигателе рабочие термодинамические циклы с продолженным расширением, что дает возможность существенно повысить термический КПД двигателя, обеспечить выпуск отработавших газов при давлении, близком к атмосферному, снизить температуру отработавших газов и уменьшить выброс вредных веществ. 
В силу полной симметрии двигатель хорошо сбалансирован, не имеет соударяющихся элементов и практически бесшумен. 
Выполнение рабочих объемов в полости расширения больше рабочих объемов в полости сжатия позволяет осуществить в двигателе рабочие термодинамические циклы с продолженным расширением, что дает возможность существенно повысить термический КПД двигателя, обеспечить выпуск отработавших газов при давлении, близком к атмосферному, снизить температуру отработавших газов и уменьшить выброс вредных веществ. 

Повышение КПД двигателя возможно не только за счет осуществления в нем рабочих циклов с продолженным расширением, но и за счет обеспечения горения рабочей смеси при постоянном объеме, что особенно эффективно для дизельного варианта двигателя и может быть легко достигнуто путем разнесения во времени моментов закрытия перепускных каналов камер сгорания со стороны полости сжатия и открытия их со стороны полости расширения.
Двигатель содержит небольшое количество создающих трение элементов, вследствие чего имеет невысокий процент механических потерь.

Пат. RU2133845 Российской Федерации. Роторный двигатель внутреннего сгорания. // Лаптев Е. В., Лаптев Д. Е.


Двигатель Стерка Мартина

В патенте DE19814742 описан роторный тепловой двигатель, работающий по принципу Стирлинга, имеющий пару поршней, совершающих вращательное и поступательное движение в отверстии с образованием четырех поршневых камер. Таким образом упрощается конструкция двигателя с индивидуальными цилиндро-поршневыми блоками, обладающими общими системами нагрева, сбора тепла и охлаждения и моментом вращения, снимаемым с одного источника. Закон вращения поршней задается приводом с эллиптическими зубчатыми шестернями.

Пат. DE19814742 ФРГ. Kreiskolben-Warmemotor-Vorrichtung. // Стерк Мартин.


Роторно-лопастной ДВС Исачкина

Роторы-лопасти посажены на один выходной вал, на котором они вращаются и которому – попеременно – то один, то другой – передают вращательное движение лопастей во время рабочего хода с помощью специального устройства, например – храпового механизма или обгонной муфты. В выходном валу имеются две системы отверстий, по одной из которых подается смазывающе-­охлаждающее вещество в полости роторов-лопастей. А по другой – отводится это вещество, «отобравшее» тепло у роторов-лопастей. 
Устройство, которое фиксирует лопасть (находящуюся в положении задней стенки камеры сгорания) и предотвращающее ее движение в обратную сторону, совмещено с датчиком положения ротора. При этом стержень, фиксирующий лопасть, включает или выключает датчик положения ротора. На выходном валу имеются кольца с выступами, а на роторах – впадины, в которые при необходимости входят выступы колец. Кольца вращаются вместе с валом, во время работы ДВС они отжаты от ротора пружинами. В корпусе ДВС имеются толкатели с приводами, которые в определенные моменты, при запуске ДВС, попеременно прижимают то одно, то другое кольца к роторам, обеспечивая этим вращение роторов, для того чтобы лопасти занимали положение стенок камеры сгорания. На выходном валу имеется приводное устройство, которое приводит в движение масляный насос, закрепленный в корпусе и подающий смазывающе-­охлаждающее вещество в полость выходного вала. Между роторами, а также между роторами и корпусом установлены уплотняющие кольца. В роторах и в корпусе имеются канавки для этих колец, и в лопатках находятся канавки для уплотняющих пластин. Герметизация камер обеспечивается уплотнительными пластинами и кольцами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. 
Все это вместе позволяет обойтись всего одним валом, и соответственно, при необходимости, всего одним генератором, и обеспечить нормальную бесперебойную работу двигателя. 
Работает роторно-­лопастной ДВС следующим образом. При запуске срабатывает один из приводов; стержень-толкатель прижимает кольцо к ротору. В это время стартер вращает вал, кольцо выступами входит в пазы ротора­-лопасти и заставляет его двигаться вместе с валом, пока лопасть ротора не займет положение задней стенки камеры сгорания. После чего срабатывает датчик положения ротора, и привод толкателя отключается.
После этого срабатывает привод толкателя другого ротора. Кольцо этого ротора входит в его пазы и вращает ротор, пока его лопасть не займет положение задней стенки камеры сгорания. Во время движения лопасть сжимает топливную смесь или воздух, и когда сработает фиксатор этой лопасти, а соответственно, сработает и датчик положения этого ротора, – произойдет зажигание рабочей смеси или впрыскивание топлива. В камере сгорания сгорит топливо, и лопасть заставит ротор вращаться, толкатель упрется в паз вала и заставит его тоже вращаться. В это же время противоположная лопасть этого ротора производит сжатие топливной смеси или воздуха, подготавливая следующий рабочий ход. В процессе работы каждая лопасть совершает рабочий ход, когда на одну ее сторону давят рабочие газы, а другой стороной лопасть выгоняет через выхлопное окно отработавшие газы предыдущего хода. Затем одной стороной она сжимает топливную смесь или воздух, подготавливая следующий рабочий ход, а другой стороной лопасть засасывает через впускное окно топливную смесь или воздух для последующего хода. 
Потом она становится в положение задней стенки камеры сгорания, обеспечивая возможность осуществить рабочий ход лопастью другого ротора. При этом лопасть, занимающая положение задней стенки, переходит в положение передней стенки, после чего ею совершается новый рабочий ход. Во время работы ДВС привод насоса заставляет его прокачивать смазывающе-охлаждающее вещество по системам отверстий и в вале, которое, попадая в полости роторов-лопастей, смазывает поверхности соприкосновения роторов, и одновременно охлаждает роторы. А уплотняющие кольца предотвращают попадание смазки в рабочие полости ДВС и в то же время препятствуют проникновению горючих газов во внутренние полости двигателя. При этом уплотняющие пластины препятствуют прохождению горючих газов из камеры сгорания в другие полости.

Роторно-лопастной ДВС. / Исачкин В. А. // Энергетика и промышленность России № 10 (74). – 2006. – октябрь.

Электронный ресурс


Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания РЛДВС конструкции Дротенко

Электронный ресурс