Автомобильные роторно-поршневые двигатели (1964 год) - часть 6

Схемы двигателей с непрерывным вращением звеньев при постоянной относительной угловой скорости

За последние 25 лет изобретатели и инженеры, работающие в области РПД, все чаще используют схемы, которые позволяют полностью или почти полностью устранить

циклически изменяющиеся составляющие сил инерции или их моменты, действующие на детали двигателя. Естественно, что амплитуды составляющих сил инерции, действующих на звенья РПД и имеющих постоянную величину, но переменное направление, обычно нельзя уменьшить до нуля, потому что угловая скорость роторов должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить высокую компактность двигателя.

Циклическое изменение сил инерции или их моментов, действующих в РПД рассмотренных выше видов, обусловлено периодическим законом относительного неравномерного движения их деталей. Поэтому основным направлением в развитии РПД, на детали которых не действовали бы циклически изменяющиеся силы инерции или их моменты, является создание механизмов с равномерным движением звеньев. В то же время эти механизмы должны позволять осуществление рабочих циклов ДВС, для чего необходимо, чтобы объемы рабочих отсеков РПД изменялись циклически. Выполнение этих двух требований, предъявляемых к динамике и кинематике РПД, возможно лишь при создании двигателей с непрерывным вращательным движением их звеньев. В случае других механизмов с ограниченным рабочим объемом отсеков неизбежны возвратные стадии движения, а потому переменные по величине силы инерции.

Предложенные схемы РПД с непрерывным равномерным вращением звеньев в основном могут быть разделены на две группы: с вращающимися заслонками и с поршнями (роторами), приводимыми во вращение шестернями. Так как привод вращающихся заслонок также осуществляется с помощью зубчатых механизмов, через которые на вал отбора мощности может передаваться значительная часть работы расширения, то деление РПД на эти две группы является условным.

К РПД с вращающимися заслонками обычно относят двигатели, у которых доля работы расширения, передаваемая через механизм привода заслонки, относительно мала по сравнению со всей работой цикла.

На фиг. 13 показана типичная схема РПД с вращающимися заслонками, предложенная С. Бейлиным. Как следует из этой схемы, роторы, имеющие одну, две или больше лопастей, вращаются в цилиндрическом отверстии корпуса. В других отверстиях, оси которых параллельны

Фиг. 13. Схема двигателя Бейлина с вращающейся заслонкой:
I — полость сжатия; II — полость расширения; 1 — впускное окно; 2 — заслонка; 3 — ротор.

Это обусловлено невозможностью использования уплотняющих элементов, расположенных в области вершины лопастей роторов и нежестко связанных с последними, а также невозможностью применения аналогичных элементов на периферии заслонки.

При надлежащем профилировании элементов рассматриваемых РПД параметр Fa у них может быть относительно большим — примерно 0,2—0,3. Повышение числа оборотов роторов практически не ограничено увеличением инерционных нагрузок.

В случае создания РПД по данной схеме возможно значительное уменьшение фрикционных потерь в сопряжениях двигателя по сравнению с ПД, хотя и не исключены большие газодинамические потери. В этом отношении РПД данного подкласса имеют бесспорные преимущества по сравнению с РПД других рассмотренных подклассов.

В то же время при практическом использовании РПД с вращающимися заслонками возможны большие затруднения, обусловленные трудностью размещения элементов уплотнения рабочих отсеков.

Схемы РПД с вращающимися заслонками во многом сходны с рядом схем РПД с роторами, вращение которых синхронизировано с помощью зубчатого механизма. В таких РПД устанавливают несколько роторов с внешним сопряжением (фиг. 14). Иногда эти схемы дополнительно усложняют путем применения вращающихся заслонок.

В отличие от схем РПД с вращающимися заслонками в данных схемах амплитудные значения моментов на валу каждого из сопряженных роторов различаются мало. Вал отбора мощности обычно сочленяют с одним из роторов. В этом случае зубья шестерни синхронизирующего механизма оказываются «нагруженными относительно большими и резко изменяющимися нагрузками. Динамичность приложения этих нагрузок особенно увеличивается при нарушении нормального протекания рабочего процесса двигателя, в частности, при чрезмерно раннем воспламенении заряда. Обеспечить удовлетворительный срок службы шестерен при таком характере их нагружения крайне трудно.

Синхронизирующие шестерни могут быть как круглыми, так и некруглыми. В последнем случае вращение роторов

будет неравномерным. В этом отношении РПД с некруглыми синхронизирующими шестернями не имеют преимуществ по сравнению с ПД, поэтому большей частью применяют круглые синхронизирующие шестерни. Использование таких шестерен позволяет уменьшить до нуля амплитуду тангенциальных «сил инерции механизма, а следовательно, устранить одно из основных препятствий к повышению числа оборотов РПД.

В ряде РПД данного типа уменьшают окружное усилие, действующее в сопряжении синхронизирующих шестерен, путем уменьшения размеров одного из роторов. В этом случае схема двигателя приближается к схемам РПД предыдущей группы, при осуществлении которых нагрузка на синхронизирующие шестерни невелика.

При применении в РПД данного подкласса двух или более сопряженных роторов возможности устройства уплотнений, как и в двигателях предыдущего подкласса, оказываются ограниченными вследствие разрыва непрерывности сопряжения роторов и корпуса и скачкообразного перехода с одной ветви зацепления на другую. При таком характере сопряжения роторов и корпуса неизбежны ударные потери в момент резкого изменения объема рабочих отсеков. Как известно, эти потери особенно велики в объемных машинах типа Рут из-за скачкообразного изменения параметров газа в процессе вращения роторов. Более рационально использование схем, позволяющих осуществить глубокое расширение заряда в рабочих отсеках.

Фиг. 14. Схема двигателя Трахселя, у которого вращение роторов синхронизировано с помощью зубчатого механизма:
1 — ротор; 2 — лопасть ротора; 3 — корпус; 4 — заслонка.

Схемы двигателей с планетарным абсолютным или относительным движением роторов

Особенно большой интерес в последнее пятилетие вызвало применение РПД, которые в принципе могут быть отнесены также к двигателям с непрерывным вращательным движением звеньев, хотя имеются предложения об их выделений в подклассе РПД с планетарным абсолютным или относительным движением роторов [7].

Одними из первых предложили схемы РПД с планетарным абсолютным движением роторов Майлар в 1943 г. (фиг. 15) и Г. Пашке в 1954 г. (фиг. 16). Позднее были предложены другие схемы РПД, выполненные по тому же принципу (Ф. Ванкель, В. Фреде, М. Бентеле, А. И. Пельцер и др.).

На фиг. 17 изображена схема РПД, предложенная Ф. Ванкелем и В. Фреде. В данном двигателе, как и в двигателе Пашке, ротор вращается вокруг своей оси, которая, в свою очередь, синхронно вращается вокруг неподвижной оси вала отбора мощности. Такое движение ротора обеспечивается путем дезаксиального расположения его на кривошипной шейке эксцентрикового вала и использования пары синхронизирующих шестерен с внутренним зацеплением.

При вращении ротора объем отсеков между боковыми сторонами ротора и внутренней рабочей поверхностью ротора непрерывно циклически меняется по закону, определяемому изменением кривизны профиля корпуса, от максимального значения до минимального.

Принципиальным отличием кинематики РПД данной группы от кинематики других РПД является непрерывность перемещения точки сопряжения по поверхности

корпуса и ротора. Это позволяет устранить утечки, обусловленные разрывом непрерывности сопряжения, а также обеспечить непрерывность перемещения зоны контакта уплотнительных элементов всему контуру корпуса.
По остальным показателям схемы РПД с планетарным вращательным движением роторов не уступают другим схемам РПД с зубчатым зацеплением роторов или с роторами, приводимыми в движение шестернями.

Фиг. 15. Схема РПД Манлар.

Фиг. 17. Схема двигателя Ванкеля-Фреде с с планетарным движением ротора:

Фиг. 16. Схема двигателя Пашке с планетарным движением ротора и золотниковым газораспределительным механизмом:

По конструкции РПД с планетарным движением одного ротора более просты, чем РПД с несколькими роторами, приводимыми в движение шестернями. Поэтому стоимость их изготовления и ремонта при надлежащей технологии изготовления может быть относительно невысокой.

Пр и использовании в РПД данной группы, как и в РПД других групп, контактной системы уплотнений повышению окружной скорости ротора препятствует увеличение механических потерь и износа деталей, несмотря на относительно благоприятные условия смазки сопряжений. Этим ограничивается возможность увеличения компактности двигателя и его мощности, а также снижения удельного веса РПД с контактной системой управления.

Во многих из рассмотренных выше схем РПД предполагается применение клапанных газораспределительных механизмов. Использование подобных механизмов приводит к усложнению конструкции двигателей и увеличению числа высоконапряженных пар. Допустимая частота рабочих циклов в РПД с клапанными газораспределительными механизмами ограничивается несовершенством клапанного механизма. Это обстоятельство препятствует практическому использованию РПД с клапанными механизмами взамен обычных ПД.

Схемы двигателей с жидкостным кольцом

Ряд изобретателей в СССР и за рубежом (Г. П. Ин-дриксон, М. В. Максимов, Е. А. Полянский и Ю. П. Кузь-ко и др.) разрабатывали схемы РПД с непрерывным равномерным вращением ротора и уплотнением рабочих отсеков по их периферии с помощью слоя жидкости.

На фиг. 18 показана типичнаяхсхема РПД с жидкостным кольцом. При вращении ротора его лопасти приводят во вращение слой жидкости в дезаксиально расположенном корпусе. Вследствие изменения радиального расстояния от поверхности жидкости до оси ротора при вращении последнего периодически меняется объем рабочих отсеков. Это теоретически позволяет применять механизм с жидкостным кольцом для осуществления рабочего

Фиг. 18. Схема двигателя с жидкостным кольцом:
1 — ротор; 2 — лопасть ротора; 3 -свеча зажигания; 4 — выпускное окно; 5 — продувочное окно; 6 — корпус.

содержание .. 4 5 6 7 ..