ОБЪЕМНАЯ РОТОРНАЯ МАШИНА
POSITIVE-DISPLACEMENT ROTARY MACHINE

1. Область техники
Устройство представляет собою объемную машину роторного типа, преобразующую механическую энергию вращения вала в энергию потока рабочего тела. Устройство относится к области машиностроения.
2. Уровень техники
На сегодняшний день по типу рабочих органов объемные машины разделяются на роторно-вращательные, шиберные и поршневые:
- роторно-вращательные
Рабочие органы осуществляют только вращательное движение, а рабочие камеры образуются рабочими поверхностями корпуса и рабочих органов.
- шиберные
Рабочие камеры образуются поверхностями ротора, статора и двух смежных шиберов, совершающих возвратно-поступательное или возвратно-поворотное движение.
- поршневые
Рабочие камеры образованы поверхностями цилиндров и поршней, двигающихся возвратно-поступательно
Среди существующих аналогов можно отметить:
- Пластинчатый компрессор (патент Великобритании: N 2019941, F01C 1/34);
- Винтовой компрессор (патент Швеции: N 451394, F04C 29/08);
- Насос высокого давления US 4284386 A, F04D 29/54.
Пластинчатый компрессор обладает высокой подачей, надежностью, минимальной пульсацией рабочего тела в зоне нагнетания, и машины такого типа широко применяются, но каждая из его рабочих камер, ограниченная поверхностями ротора, корпуса и двух пластин, изменяет свой объем от максимального до минимального всего один раз за оборот вала, что не позволяет добиться подачи, обеспечиваемой при применении предлагаемой схемы, предусматривающей изменение объема каждой из камер четыре раза. К тому же вредное пространство пластинчатой схемы не может быть меньше минимального объема рабочей камеры, что значительно превышает вредное пространство предлагаемой схемы, обусловленное только шириной золотника и его ходом до открытия экстракционного отверстия.
Винтовой компрессор обладает низким уровнем шума, вибрации и пульсации рабочего тела, хорошей управляемостью, большим ресурсом работы, но имеет сложную конструкцию с учетом широкой номенклатуры вспомогательного оборудования, применяемого для очистки рабочего тела, регулирования, системы маслоотделения, и в связи с этим эта схема сложна для применения в малых габаритах. Предлагаемая же схема значительно менее требовательна к кондиции рабочего тела, а также может быть выполнена в широкой размерной вариации.
Насосы высокого давления, выполненные по схеме, описанной в патенте US 4284386 А, просты в эксплуатации и способны создавать высокое давление нагнетания, но предлагаемая схема позволяет добиться более высокой производительности за счет большей в четыре раза кратности образования и сокращения рабочих камер на один оборот ротора.
3. Раскрытие изобретения
3.1 Описание
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является воплощение нового принципа действия объемной машины, заключающегося в способе образования и изменения объема рабочих камер.
Указанная задача решена в объемной роторной машине, которая состоит из ротора, закрепленного на валу, установленном в корпусе, состоящем из корпусных пластин, сжимающих ротор и сегменты корпуса с торцов, качающихся заслонок, закрепленных между корпусных пластин и прижимаемых под действием пружинного кольца к поверхности ротора, согласно изобретению рабочие камеры образуются ограниченными качающимися заслонками, поверхность которых при вращении ротора вкупе с поверхностями корпусных пластин, сегментов корпуса образует рабочие полости, уменьшающие свой объем по мере вращения ротора, что обеспечивает возрастание давления рабочего тела, под действием которого сдвигаются вмонтированные в пазах сегментов корпуса золотники, прижимаемые пружинным кольцом, разграничивающие рабочий объем и зону нагнетания и установленные с возможностью запирания рабочих камер и открытия выпускных отверстий.
Описываемое изобретение использует новый принцип работы ротационных объемных машин, при котором одновременно четыре рабочие камеры уменьшают свой объем, совершая рабочий ход, с одновременным образованием новых рабочих камер, и этот процесс повторяется каждые 90° поворота ротора, что позволяет добиться большой производительности при меньших габаритных размерах. Отличие от ближайшего аналога - схемы, описанной в патенте за номером US 4284386 А, заключается в конструкции корпуса, включающей в себя сегменты, в пазах которых вмонтированы золотники, прижимаемые пружинным кольцом, разграничивающие рабочий объем и зону нагнетания и установленные с возможностью запирания рабочих камер и открытия выпускных отверстий. А также, как следствие, отличаются кратностью изменения объема рабочих камер на каждый оборот ротора и способом заполнения вновь образующихся камер, происходящего одновременно с уменьшением рабочих камер по противоположную сторону каждой из качающихся заслонок.
Техническим результатом является существенно более высокая подача в сравнении с ближайшим аналогом при сохранении высокого давления рабочего тела.
Конструктивная схема, предусматривающая образование рабочих камер, ограничиваемых поверхностями ротора (1), элементов корпуса (2, 3) и качающихся заслонок (4), позволяет добиться значительно большей по сравнению с аналогами удельной производительности на единицу массы и объема агрегата, достигаемой за счет многократности образования рабочих камер на один поворот ротора (1), и вследствие этого позволяет добиться большей энергетической эффективности процесса.
Конструкция включает в себя ротор (1), установленный на валу (15), вращающийся в полости корпуса в тесном контакте с корпусными пластинами (2), служащими для ограничения рабочего объема и для крепления валов, и сегментами корпуса (3) вокруг одной оси. Кожух полости низкого давления (9), имеющий входное отверстие (11), заполнен рабочим телом и обеспечивает его доступ ко вновь образующимся рабочим камерам. Качающиеся заслонки (4) прижимаются к внешнему контуру ротора, приводимые в движение пружинами (5). От возрастающего давления рабочего тела золотники (7) меньшего сечения, предназначенные для разграничения рабочего объема и полости высокого давления (10), находящиеся в пазах сегментов корпуса (3), приводимые пружинным кольцом (8) в крайнее положение и запирающие рабочие камеры, приходят в движение и открывают выпускные отверстия (6), через которые рабочее тело поступает в полость, ограниченную кожухом высокого давления (10), имеющую выходное отверстие (12), с сопутствующим повороту вала и установленного на нем ротора (1) началом образования новых рабочих камер и заполнением их рабочим телом. Конструкция корпуса сжимается болтами (13), кожух полости низкого давления (9) и кожух полости высокого давления (10) закрепляются на корпусе осями качающихся заслонок (14). Таким образом рабочий объем представляет собой сумму максимальных образующихся в процессе вращения ротора объемов полостей, ограничиваемых ротором (1), элементами корпуса (2, 3) и качающимися заслонками (4), за вычетом вредных объемов выпускных золотников.
3.2 Принцип действия
В процессе работы образуются рабочие камеры, ограничиваемые поверхностями рабочих органов и элементов корпуса, объем которых изменяется по мере вращения вала. Золотники (7), сдвигаемые под действием возрастающего давления рабочего тела в дальнее от оси вращения ротора положение, отпирают выпускные отверстия (6), обеспечивая рабочему телу свободный проход в зону нагнетания.
1-я фаза (0°)
Ротор (1) находится в положении, при котором прижимаемые к его внешней поверхности под действием пружин (5) качающиеся заслонки (4) находятся в положении максимального отклонения от оси вращения ротора. Доступ рабочего тела в камеру со стороны зоны всасывания на данном этапе ее формирования открыт (Фиг. 2).
2-я фаза (0°-27,7°)
Ротор поворачивается в положение, при котором самые дальние точки его контура приближаются вплотную к поверхностям сегментов корпуса (3), обеспечивая минимальный зазор и запирая рабочие камеры (Фиг. 3).
3-я фаза (27,7°-90°)
Ротор продолжает свое вращение и по его мере объем рабочих камер уменьшается. Давление рабочего тела возрастает и под его действием золотники (7) смещаются в крайнее дальнее от оси вращения ротора положение, открывая путь рабочему телу через выпускные отверстия (6) в зону нагнетания (Фиг. 4).
По прохождению дальними точками ротора зон окон золотников (1-я фаза) система завершает цикл сжатия и продолжает цикл заполнения новых рабочих камер до момента касания вершин ротора (1) поверхностей сегментов корпуса (3). Цикл повторяется каждые 90° градусов поворота ротора на четырех секциях одновременно.
Смазка.
Смазка трущихся деталей происходит посредством самого рабочего тела или масленой взвеси в нем.
Герметизация.
Герметизация обеспечивается минимальными допусками на сопряжения составных деталей.
3.3 Расчет основных параметров
(в составе установки с применением мотора АИР 56 А2)
3.3.1 Исходные данные:
Объемная машина:
r
D=50 mm - диаметр ротора;
r
S=10 mm - ширина ротора;
s
D=84 mm - диаметр статора;
sm
S=20.3 mm - ширина статора;
m
m=0.485 кг - масса объемной машины;
k
3
V=844.4 мм - объем одной камеры;
н
6
Р=0.98×10 Па - давление нагнетания.
Мотор:
е
Р=180 Bт - номинальная мощность электромотора;
е
m=4.7 кг - масса электромотора;
е
n=3000 об/мин - частота вращения вала электромотора;
Установка:
п
М=2.2 Н/м - прикладываемый момент
3.3.2 Рабочий объем машины:
Рабочий объем компрессора:
c
k
r
V=V×N
k
V - рабочий объем одной камеры
r
N - количество рабочих полостей ротора
c
-7
-6
3
V=8.444×10×4=3.38×10 м
Площадь сечения камеры при расчетном давлении в камерах (Фиг. 5, 6):
S=a×b
-3
3
а=10×10 м - ширина сечения камеры
-3
3
b=1.9×10 м - высота сечения камеры
-3
-3
-5
3
S=a×b=10×10×1.9×10=1.9×10 м
3.3.3 Расчет требуемых усилий:
Сила, требуемая для преодоления силы давления:
тр
н
F=S×P
н
6
где Р=0.98×10 Па - максимальное давление в рабочей камере
к
-5
6
F=1.9×10×0.98×10=18.62 Н
Требуемый момент (Фиг. 6):
,
-3
где r=24.04×10 м - расстояние от оси вращения ротора до результирующей точки приложения силы.
тс
н
F=µ×N=1.2 Н - сила трения скольжения
µ=0.15 - коэффициент трения скольжения
н
N=8 Н - сила нормальной реакции
3.3.4 Расчет производительности:
Объемный КПД объемной машины:
об
п
об
п
η=(N-N)/N
где
п
н
н
6
4
N=QР=0.03×0.98×10=2.96×10 Вт - полезная мощность объемной машины;
oб
ут
неп
н
4
N=(Q+Q)Р=0.74×10 Вт - потери мощности на внутренние утечки
ут
-3
3
Q=7×10 м/мин - внутренние утечки
неп
-4
3
Q=5.5×10 м/мин - неполное заполнение
об
4
4
4
η=(2.96×10-0.74×10)/2.96×10=0.75
Подача:
c
в
об
Q=V×n×k×η
k=4 - кратность работы объемной машины
-6
3
Q=3.38×10×3000×4×0.75=0.03 м/мин
3.3.5 Расчет массогабаритных параметров установки:
Габариты:
м
h=119 мм - высота объемной машины;
м
w=90 мм - ширина объемной машины;
м
l=29.5 мм - длина объемной машины;
э
h=148 мм - высота электромотора;
э
w=120 мм - ширина электромотора;
э
l=218 мм - длина электромотора;
у
э
Н=h=148 мм - высота установки;
y
э
W=w=120 мм - ширина установки;
y
м
э
L=l+l=29.5+218=247.5 мм - длина установки.
Габаритная схема установки - Фиг. 7
Масса:
м
М=0.493 кг - масса объемной машины;
э
М=4.7 кг - масса электродвигателя;
у
м
э
М=М+М=5.193 кг - масса установки.
3.3.6 Сравнительный анализ и обоснование применения.
Сравнительные характеристики компрессов разных типов приведены в таблице 1.1
Проведя анализ данных, представленных в таблице, можно сделать вывод о более выгодном по сравнению с существующими образцами объемных машин аналогичного назначения наборе характеристик. В частности:
- более высокая удельная производительность
3
3
3
Схема ротационного компрессора позволяет затратить 1 Вт энергии для обеспечения подачи 13×10 см/мин÷180 Вт=72.2 Втсм/мин.
4
3
3
Схема, по которой построен пластинчатый компрессор Hydrovane HV01, позволяет, затрачивая 1 Вт энергии, обеспечить подачи 12×10 см/мин÷1100 Вт=109.1 Втсм/мин.
4
3
3
Схема винтового компрессора SX 3 позволяет при затрачивании 1 Вт энергии обеспечить подачу 26×10 см/мин÷2200 Вт=118.2 Втсм/мин.
4
3
3
Предлагаемая схема компрессора позволяет добиться производительности в 3×10 см/мин÷180 Вт=166.7 Втсм/мин на каждый затраченный ватт энергии, что на 41% больше, чем у установки с применением винтовой, на 52,8%, чем с применением роторно-пластинчатой, и в 2,3 раза больше, чем с применением ротационной схем.
- малые удельные габариты
3
4
3
4
3
3
Установка с применением схемы винтового компрессора на 1 см своего габаритного объема позволяет добиваться производительности 26×10 см/мин÷36.57×10 см=0.71 см/мин.
3
4
3
3
3
3
Установка с применением схемы пластинчатого роторного компрессора на 1 см своего габаритного объема позволяет добиваться производительности 12×10 см/мин÷88.83×10 см=1.35 см/мин.
3
3
3
3
3
3
Ротационный компрессор на 1 см габаритного объема обеспечивает производительность 13×10 см/мин÷7.74×10 см=1.68 см/мин.
3
4
3
3
3
3
По предлагаемой схеме на 1 см габаритного объема установки приходится производительность 3×10 см/мин÷4.38×10 см=6.8 см/мин, что выше относительной производительности установки с применением пластинчатого роторного компрессора более чем в четыре, пластинчато-роторного в пять, а винтового в девять с половиной раз.
- малая удельная масса
4
3
Установка с применением схемы винтового компрессора на 1 кг своего веса позволяет добиваться производительности 26×10 см/мин÷140 кг=1.86 л/мин.
4
3
Установка с применением схемы пластинчатого роторного компрессора на 1 кг своего габаритного объема позволяет добиваться производительности 12×10 см/мин÷41 кг=2.9 л/мин.
3
3
Удельная производительность ротационного компрессора 13×10 см/мин÷14 кг=928.6 л/мин.
4
3
Удельная производительность объемной машины предлагаемой схемы 3×10 см/мин÷5.19 кг=5780 л/мин.
- простота эксплуатации и ремонта
Для своей полной разборки и сборки устройство не требует специальных инструментов, не требует калибровки и дополнительной настройки.
- низкий уровень колебаний
Поскольку поступательные движения всех подвижных частей максимально сбалансированы и полностью уравновешиваются друг другом, уровень колебаний практически обусловлен в основном неточностями изготовления.
- низкая пульсация
Пульсация ниже, пульсации ротационных поршневых аналогов за счет кратности системы и совершению рабочих ходов всеми четырьмя образующимися камерами каждые 90° поворота ротора.
- простота эксплуатации и ремонта машины
Для своей полной разборки устройство не требует специальных инструментов, не требует калибровки и какой-либо настройки.
Объемная роторная машина может быть использована в мобильной технике и стационарно в технике и наибольшую применимость может найти в конструкциях, требующих габаритной и весовой экономии и способных предоставить мощный привод, в таких областях, как двигателестроение, конструкции приводов, автономные автоматические системы, аэрокосмический транспорт. Предлагаемая конструкция имеет наилучшее соотношение габаритов и массы с производительностью из существующих технических решений.
Конструкция машины не предусматривает использование сложных в обработке, запрещенных или особо ценных материалов. Производственный процесс не требует использования сверхточных технологий.
Машина может быть создана существующими техническими средствами.
4. Описание чертежей.
Фиг. 1 - изометрия объемной машины с местным вырезом в кожухах высокого и низкого давления.
Фиг. 2 - сечение корпуса объемной машины, отражающее начало образования одной из камер в одной из четырех секций.
Фиг. 3 - сечение корпуса объемной машины, отражающее запирание одной из камер.
Фиг. 4 - сечение корпуса объемной машины, фазу рабочего хода одной из камер и вытеснения, смещения запирающего золотника и вытеснение рабочего тела через открывшееся отверстие.
Фиг. 5 - сечение корпуса объемной машины, отражающее фазу, при которой силы давления на золотник с обеих сторон уравновешены и давление в рабочей камере максимальное из предусмотренного. Указана также плоскость сечения, отраженного на следующей фигуре.
Фиг. 6 - сечение корпуса объемной машины и камеры в момент достижения в ней давлением максимального значения с указанием ширины и высоты сечения максимальной ширины камеры в этот момент.
Фиг. 7 - изображение установки.
5. Осуществление изобретения.
Изобретение может быть применено в областях техники, требующих максимальной компактности с сохранением высокой производительности и давления нагнетания рабочего тела.
Насосы, созданные по предлагаемой схеме, могут заменить масленые шестеренчатые насосы, применяемые в авиации, подобные Г11-23, и обеспечить при схожих показателях подачи (0,03 и 0,036 м3/мин) вдвое меньшие габариты (119×120×29,5 и 101×100×86 мм) и в четыре раза меньшую массу (2,3 и 8,7 кг).
Компрессоры, созданные по предлагаемой схеме, могут монтироваться на переносных и стационарных компрессорных станциях, заменив применяемые там компрессоры пластинчатого типа, обеспечив лучшую энергоэффективность и массогабаритные показатели.
Объемные машины, изготовленные по предлагаемой схеме, благодаря своим массогабаритным преимуществам могут найти применение в бытовой технике. Так компрессор домашнего холодильника, использующий описанный принцип, может иметь втрое лучшую энергоэффективность и габариты, позволяющие при установке разместить его таким образом, что это поможет значительно увеличить вместимость при сохранении производительности.