ОБЪЕМНАЯ РОТОРНАЯ МАШИНА
VOLUME ROTOR MACHINE

Изобретение относится к машиностроению и, в частности, к роторным машинам объемного действия.
Известна объемная роторная машина (RU 2282037, 11.05.2005), содержащая неподвижный статор с размещенными в нем опорами, торцовые диски, полый вал и корпус, расположенные в статоре с возможностью вращения в этих опорах. Корпус по наружному диаметру установлен внутри одной из этих опор, выполненной, например, в виде подшипника качения. Машина содержит также сухарь, лопасть, установленную внутри корпуса с возможностью обеспечения жесткой связи с дисками и одновременным скольжением в сухаре, расположенном в корпусе. Кроме того, машина содержит питательные окна, расположенные в противоположных дисках по обе стороны лопасти, одно из которых сообщено с внутренней полостью статора, а другое - с внутренней полостью вала посредством размещенной в машине камеры.
В данной машине вал вращается равномерно, а корпус имеет вращение неравномерное, характерное для кулисного механизма.
Основным недостатком данной машины являются повышенные моменты от сил инерции, действующие на вал.
о
Недостатком является также сниженная мощность, отдаваемая машиной (эффективная) вследствие низкого объемного КПД (η), так как раздел между рабочим объемом машины с повышенным давлением и объемом с пониженным давлением осуществлен в лучшем случае в виде контакта по линии.
Известна также роторная объемная машина (заявка на изобретение №2008107882/06(008521)), содержащая статор с размещенными в нем опорами вращения, торцовые диски, полую ось и корпус, расположенный в статоре с возможностью вращения в опорах, а также сухарь, лопасть, установленную внутри корпуса с возможностью обеспечения жесткой связи с торцовыми дисками и одновременным скольжением ее в сухаре, питательные окна, расположенные в противоположных дисках по обе стороны лопасти, одно из которых сообщено с внутренней полостью статора, а другое - с внутренней полостью оси посредством размещенной в машине переходной камеры.
Согласно изобретению корпус выполнен в виде ротора и расположен в опорах вращения соосно с дисками с возможностью жесткой связи с ними и лопастью, а переходная камера размещена в корпусе. При этом полая ось установлена в опорах статора эксцентрично относительно корпуса и торцовых дисков, а сухарь установлен во втулке, размещенной внутри корпуса между дисками с возможностью вращения на полой оси. Выходной вал размещен параллельно корпусу в своих опорах вращения, и передача вращающего момента к нему от корпуса осуществлена при помощи зубчатой передачи.
Основным недостатком данной машины из-за наличия в ней общих с аналогом конструктивных особенностей является также сниженная эффективная мощность.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективной мощности машины.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в представленной объемной роторной машине, содержащей статор с опорами вращения, размещенные в них выходной вал, полую ось, а также ротор, установленный в этих опорах эксцентрично относительно полой оси с возможностью передачи вращающего момента выходному валу и обратно и включающий в себя корпус, жестко связанные с ним торцовые диски с питательными окнами, переходную камеру, расположенную между дисками внутри корпуса и сообщенную с внутренней полостью оси, а также лопасти, жестко связанные с корпусом и установленные внутри него с возможностью скольжения в сухарях, размещенных во втулках, расположенных в свою очередь на полой оси с возможностью вращения относительно нее между торцовыми дисками.
Согласно изобретению полая ось установлена в качестве полого вала, переходная камера сообщена с внутренней полостью этого вала при помощи расположенных в ней радиальных каналов, обеспечивающих закручивание рабочей среды непосредственно от продольной оси полости вала и с последующим вращением ее в этих каналах, причем каналы, расположенные в переходной камере, выполнены в виде лопаток, установленных в ней радиально.
Таким образом, при вращении на объем рабочей среды, заполняющей каналы, будет действовать сила инерции ее вращательного движения (центростремительного ускорения), которая будет равна
. (Для упрощения силами Кориолиса, возникающими в каналах при вращении, условно пренебрегаем.)
0
Работа, совершаемая этой силой по перемещению рабочей среды, заключенной во вращающихся каналах от радиуса r к радиусу r, и отнесенная к единице веса среды, будет выражаться в виде инерционного напора:
2
2
2
2
0
hu=ω/g rdr=ω/2g(r-r )
(см. Т.М.Башта. Машиностроительная гидравлика. М.: Машиностроение, 1971, с.75, 77, 78).
0
Исходя из конструкции предлагаемой машины, в которой закручивание рабочей среды начинается непосредственно от продольной оси полого вала, можно принять, что r=0. Поэтому инерционное давление, развиваемое в кольцевой массе рабочей среды, расположенной перед входными питательными окнами, будет
2
2
Pu=Yrω/2g,
где r - радиус кольцевой массы, расположенной перед питательными окнами.
Известно, что в жидких и газовых рабочих средах давление, развиваемое в любой точке в радиальном направлении, равно тому же и в осевом.
Таким образом, осевое давление, развиваемое в кольцевой массе с радиусом r, будет передаваться через входные питательные окна в рабочие объемы машины, при этом рабочее давление, действующее на ее рабочие лопасти, будет равно:
Pr=Р+Pu,
где Р - давление рабочей среды на входе машины.
Эффективная мощность, развиваемая при этом машиной:
Nэ=η∋(N+Nu),
где η∋ - полный (эффективный) коэффициент полезного действия (КПД).
В нашем случае:
η∋=ηηu,
где η - КПД, определяемый объемными ηо и механическими ηмех потерями (т.е. η=ηоηмех);
ηu - инерционный КПД, учитывающий потери мощности на преодоление моментов сил инерции при неустановившихся режимах работы машины, в частности при раскруте массы рабочей среды, заключенной в каналах;
N - потребляемая мощность;
Nu - мощность напора инерции.
Поэтому можно записать:
Nэ=ηηu(QP+QuPu),
где Q - потребляемый объем рабочей среды;
Р - давление потребляемого объема рабочей среды;
Qu - объем рабочей среды, перемещающийся в каналах под действием центробежной силы;
Pu - центробежная сила (сила инерции). Здесь нужно заметить, что в диапазоне скоростей движения рабочей среды, обеспечивающих ее неразрывность при вращении в каналах, будет происходить автоматическое ее закручивание (авторотация) в виде вихревых шнуров.
Предложенная машина обладает дополнительно свойством самовсасывания.
Принимая во внимание, что потребляемая машиной мощность (N) на входе ее есть величина постоянная, то увеличение частоты вращения ротора из-за самовсасывания ведет к увеличению объемной составляющей (Q) этой мощности, а составляющая давления (Р) при этом будет уменьшаться.
Формула эффективной мощности в общем виде:
Nэ=η∋(N±Nu),
где знак «+» - когда направление инерционного напора совпадает с направлением рабочей среды, то есть, как в нашем случае, от центра вращения к периферии;
знак «-» - когда направление рабочей среды обратное, от периферии к центру.
Таким образом, размещение вращающихся каналов перед входными и питательными окнами машины способствует созданию мощности инерционного напора, чем компенсируются различные потери и, как следствие, повышается эффективная мощность.
На фиг.1, 2, 3, 4, 5 приведена полуконструктивная схема машины.
На фиг.1 изображен общий вид машины.
На фиг.2 - ее продольный разрез, в котором отражены конструктивные особенности машины.
На фиг.3 - разрез по А-А фиг.2, в котором показано расположение силовых элементов в левом рабочем объеме машины.
На фиг.4 - разрез по Б-Б фиг.2, в котором показано расположение силовых элементов в правом рабочем объеме во взаимосвязи с левым.
На фиг.5 - разрез по В-В фиг.2, в котором показано размещение радиальных каналов в переходной камере.
Схема поясняет работу машины в режиме, например, полноприводного двигателя, поэтому машина представлена в виде сдвоенной.
Объемная роторная машина (см. фиг.1) содержит статор 1 с опорами вращения 2, выходной вал 3 и ротор 4, размещенные в этих опорах, причем ротор 4 размещен в опорах эксцентрично относительно вала 3 с возможностью передачи ему вращающего момента обратно посредством, например, зубчатой передачи 5 с внутренним зацеплением (см. фиг.2). Кроме того, вал 3 изготовлен полым с возможностью выполнения функции оси.
В свою очередь (см. фиг.2) ротор 4 включает в себя корпус 6, жестко связанные с ним торцовые наружные диски 8 и внутренние 7, содержащие соответственно входные питательные окна 9 и выходные 10. Корпус 6 включает в себя переходную камеру 11, расположенную между внутренними дисками 7 и сообщенную с внутренней полостью 12 вала 3 посредством каналов 13 и 14. Причем (см. фиг.5) каналы, размещенные в переходной камере, образованы при помощи лопаток 19. Корпус 6 включает в себя также рабочие лопасти 15, жестко связанные с ним и дисками 7 и 8. Поверхности лопастей 15, расположенные в рабочем объеме машины между дисками 7 и 8, установлены с возможностью скольжения в сухарях 16, размещенных в свою очередь во втулках 17 и расположенных на валу 3 с возможностью вращения на подшипниках 18 между дисками 8 и 7.
Машина работает следующим образом.
В исходном положении (см. фиг.2) рабочая среда от источника питания под давлением Р подается во внутреннюю полость 12 вала 3, а затем посредством каналов 13 и 14 и переходной камеры 11 попадает в рабочий объем (рабочую камеру) машины, расположенный перед лопастью 15 левой секции (см. фиг.2 и фиг.3). Впускное окно 9 правой секции в это время перекрыто втулкой 17 (см. фиг.2 и фиг.4).
Под действием этого избыточного давления Р, воздействующего на рабочую лопасть левой секции, появляется крутящий момент в этой секции корпуса 6 и вместе с ним ротор 4 начинает вращаться в направлении, указанном стрелкой (см. фиг.3). При этом рабочий объем, расположенный с правой стороны от рабочей лопасти 15, будет увеличиваться, а с левой уменьшаться, рабочая среда при этом вытесняется через окно 10 (см. фиг.2, на фиг.3 окно 10 показано условно) в систему или атмосферу.
Затем начинают открываться окна питания 9 и 10 и при этом появляется крутящий момент в правой секции, который будет увеличиваться и суммироваться с уменьшающимся моментом левой секции. Таким образом обеспечивается непрерывное вращение ротора 4, который при этом посредством зубчатой передачи 5 передает вращение валу 3 (в нашем случае вал 3 установлен в качестве выходного).
Лопатки 19 (фиг.5) при этом могут быть жестко связаны с дисками 7 переходной камеры 11. По мере набора оборотов ротором 4 в каналах 13 непосредственно от продольной оси полого вала 3 будет происходить закручивание рабочей среды, переходящее во вращение в каналах 14, расположенных в переходной камере 11. При этом в этих каналах будет создаваться инерционный напор с давлением Pu в кольцевой массе рабочей среды (см. фиг.5), расположенной перед входными окнами 9, ограниченной радиусами r и R. Возникающая при этом мощность инерционного напора будет компенсировать потери потребляемой мощности машины, включая потери от перетечек, благодаря этому повышается эффективная мощность машины в целом.
В представленной выше машине в роторе 4 размещен рабочий блок, включающий в себя две секции, работающие в противофазе, и переходную камеру 11 между ними. Для повышения равномерности вращения ротора в корпусе его на общем валу можно расположить любое требуемое число таких блоков, при этом увеличится только длина двухопорного ротора 4, причем рабочие лопасти в блоках должны быть расположены с равномерным угловым сдвигом по отношению друг к другу.