Известны сферические роторные машины, представляющие собой шарнир Гука, вилки и крестовина (она же диафрагма), которые заключены в сферический корпус, выполнены в форме фрагментов шара и выделяют в полости корпуса четыре герметичные рабочие камеры. Оси вращения вилок пересекаются под острым углом α, а валы вилок выведены наружу через радиальные отверстия в корпусе. При вращении валов, рабочие камеры, вращающиеся вместе с вилками, изменяют свой объем в зависимости от углового положения относительно корпуса. Подача и удаление рабочего тела в таких машинах выполняется через две пары отверстий в корпусе и не требует дополнительных ухищрений.
Согласно [1] опытные образцы подобных машин изготавливались в СССР в 1970-х годах и продемонстрировали свою работоспособность в качестве пневмомотора и, с некоторыми изменениями, в качестве двухтактного ДВС. В настоящее время вариант сферической роторной машины под именем собственным “Перун” пропагандируется в интернете Михаилом Кузнецовым. Наряду с достоинствами, главным из которых является простота, сферическая роторная машина обладает и рядом принципиальных недостатков, ограничивающих ее применение.
За рабочий цикл сферической роторной машины вилки совершают полный оборот вокруг своих осей, крестовина-диафрагма помимо этого совершает два поворотных колебания на угол ±α вокруг собственных осей. Для изменения объема рабочих камер используется исключительно колебательная составляющая движения крестовины относительно вилок, а циклическое вращение вилок и крестовины является избыточным. С учетом требования герметичности рабочих камер вращение вилок и крестовины относительно корпуса влечет существенные потери на трение и ускоренный износ деталей.
Расположение четырех впускных/выпускных отверстий по разные стороны от “экватора” корпуса неизбежно приводит к увеличению поперечных размеров машины после присоединения впускного и выпускного коллекторов.
Как ни парадоксально, наличие двух равноценных выходных валов также скорее является недостатком, чем достоинством. Во-первых — одновременное нагружение обоих валов невозможно из-за несинфазности их вращения (если вращение одного вала стабилизировать маховиком, другой будет вращаться с пульсирующей угловой скоростью с вытекающими из этого динамическими последствиями). Во-вторых — расположенные под углом друг к другу валы делают машину «кривой», что не позволяет отнести к ней утверждение – красивый самолет хорошо летает.
Предмет данной статьи — предложение по модификации сферической роторной машины на базе шарнира Гука (прототипа) с целью преодоления указанных недостатков.
Устройство предлагаемой сферической машины объемного действия показано на рис. 1. В отличие от прототипа вилки 3 и 4 лишены валов, вилка 3 неподвижно закреплена в оппозиции к радиальному отверстию в корпусе 1, а выходной вал 2, выведенный через радиальное отверстие, дополнен эксцентрическим кольцом, совмещенным с кольцевым углублением в центре периферийной поверхности вилки 4.
Вилки 3 и 4 и крестовина-диафрагма 5 выделяют в полости корпуса 1 две пары герметичных рабочих камер переменного объема N-S и W-E, угловые размеры которых изменяются при повороте вала 2 согласно формулам:
δn = – δs = arcsin (sin α * cos γ) (1),
δe = – δw = arcsin (sin α * sin γ) (2),
где δn, δs, δe, δw приращения углового размера рабочих камер N, S, E и W,
α — угол пересечения осей цилиндрической части и кольца вала 2 (угол прецессии),
γ — угол поворота выходного вала относительно исходного положения, показанного на рис.1.
Для варианта конструкции, представленного на рис. 1 угол α и модуль экстремального приращения углового размера рабочих камер составляет 30°, среднее значение углового размера камеры равно 35.°
Поскольку для рабочих камер данной формы объем пропорционален изменяющемуся угловому размеру, формулы (1) и (2) с точностью до постоянного множителя справедливы и в отношении приращения объемов.
Обеспечив поступление рабочего тела в рабочие камеры, находящиеся в фазе расширения, и удаление рабочего тела из сжимающихся камер, можно использовать предлагаемую машину в качестве реверсивного пневмомотора, парового двигателя, реверсивного насоса. В результате проведенной модификации машина лишилась «естественного» механизма коммутации рабочих камер, тем не менее продолжим рассмотрение предлагаемой машины, исходя из предположения, что эта проблема решена.
Вилка 4, совершая гармонические поворотные колебания относительно крестовины-диафрагмы 5 и, со сдвигом на четверть периода совместно с крестовиной-диафрагмой 5, – относительно вилки 3, описывает своей вершиной окружность, то есть прецессирует. Подобное движение совершает рабочий орган сферической машины Голубева (http://holubeumachines.com). Принцип взаимного преобразования прецессии и вращения выходного вала в предлагаемой машине аналогичен примененному в машине Голубева. Отличие состоит в том, что вместо косого кривошипа выходной вал снабжен эксцентрическим косым кольцом, что позволило сохранить опорную поверхность на вершине вилки 4 и обеспечить тем самым ее устойчивость.
Анализ предлагаемой кинематической схемы подтверждает отсутствие циклического вращения рабочих органов относительно корпуса. Вилка 3 неподвижна по определению, крестовина-диафрагма 5 совершает за рабочий цикл относительно корпуса 1 одно поворотное колебание ±α вокруг первого диаметрального шарнира, вилка 4 за рабочий цикл совершает по одному поворотному колебанию ±α вокруг каждого из двух диаметральных шарниров. Взаимное перемещение рабочих органов относительно корпуса за один рабочий цикл, выраженное суммой поворотных перемещений вокруг всех осей вращения, при типичном значении α =30° для предлагаемой машины и прототипа (указано в скобках) составляет:
– вилка 3 (первая вилка) — 0° (360°);
– вилка 4 (вторая вилка) — 120° (360°);
– крестовина-диафрагма — 60° (420°)
Если силу (момент) трения с корпусом для всех трех рабочих органов принять одинаковой, снижение потерь можно оценить, как отношение сумм перемещений рабочих органов прототипа и предлагаемой машины, – в 6,33 раза. Показанное снижение механических потерь улучшает температурный режим и уменьшает износ рабочих органов предлагаемой машины по сравнению с прототипом.
После проделанных изменений машина лишилась одного вала, а внешний облик машины обрел симметрию.
Вернувшись к вопросу коммутации рабочих камер отмечу, что принципиально здесь возможны разные решения, например использование самодействующих клапанов, аналогичных примененным в упомянутой сферической машине Голубева. Возможно применение принудительно открываемых клапанов наподобие клапанов 4-тактных ДВС в сочетании кулачковым механизмом [4]. Но применение клапанной системы вряд ли обеспечит уменьшение поперечных размеров машины по сравнению с прототипом, а главное – лишит машину основного достоинства прототипа – простоты. Мне удалось разработать систему коммутации рабочих камер сферической машины объемного действия, позволяющую организовать рабочий цикл реверсивного пневмомотора, парового двигателя или реверсивного насоса, не требующую введения дополнительных деталей. Эта система позволяет локализовать подводящий и отводящий трубопроводы 6 (рис.1) в зоне неподвижной вилки 3, и уменьшить поперечные размеры машины по сравнению с прототипом.
Устройство системы коммутации рабочих камер является атрибутом сферической машины объемного действия СОРОКА-ВОРОНА, обладающей, как мне представляется, признаками изобретения, поэтому до регистрации авторства не раскрывается.
Данной публикацией предлагаю лицами и организациями, заинтересованными в применении рассмотренной машины, содействие в регистрации и внедрении предполагаемого изобретения.
Громов А. Г. Mail: aleksgromov2016@yandex.ru
Литература.
1.Кирилл Юрьевич Чириков «Необычные двигатели» Новое в жизни, науке технике 6/1976 Серия Транспорт Издательство «Знание» Москва 1976.
2. Патент RU 2194164 F01C3 Роторная объемная машина.
3. Патент RU 2144985 F01C3 Объемная сферическая роторная машина.
4. Патент RU 2144985 F01C3 Сферическая роторная машина с тороидальными поршнями.