РОТОР И КОМПРЕССОР, СНАБЖЕННЫЙ ТАКИМ РОТОРОМ
ROTOR AND COMPRESSOR EQUIPPED WITH SUCH ROTOR

Настоящее изобретение относится к ротору, в частности ротору, который применяется, например, в различных типах компрессоров, генераторов, двигателей и тому подобном.
Роторы винтовых компрессоров известны из JP 2004324468 и JP 1237388, где эти роторы снабжены валом, в котором предусмотрен внутренний центральный и направленный по оси охлаждающий канал, через который подается охлаждающее масло, чтобы повысить эффективность компрессора.
Однако такие известные роторы не обеспечивают надлежащее, эффективное охлаждение ротора в широком рабочем диапазоне.
Из SE 517.211 известен ротор, в котором внутри предусматривается охлаждающий канал с элементом усиления турбулентности, изготовленным из полимера в форме спирального элемента.
На практике оказывается, что такой усиливающий турбулентность элемент не обеспечивает желаемый результат в том, что касается эффективного надлежащего охлаждения, когда речь идет о теплопередаче; кроме того, особенно в случае с жидкостями, будут иметь место дополнительные потери давления.
Настоящее изобретение имеет своей целью создание ротора, который обеспечивает весьма эффективное охлаждение.
С этой целью настоящее изобретение относится к ротору, содержащему вал с осью, в котором в направлении этой оси выполнен центральный внутренний охлаждающий канал с входом и выходом для охлаждающего агента, согласно изобретению вышеупомянутый охлаждающий канал, по меньшей мере, в его части, снабжен направленными внутрь ребрами, в вышеупомянутом охлаждающем канале около вышеупомянутого входа для охлаждающего агента расположены средства, обеспечивающие тангенциальную составляющую скорости охлаждающему агенту, вышеупомянутые средства, обеспечивающие тангенциальную составляющую скорости, содержат звездообразный профилированный вставной элемент с конусообразным концом, направленным от вышеупомянутых ребер против направления движения потока охлаждающего агента.
Моделирование показало, что применение направленных внутрь ребер обеспечивает более эффективную теплопередачу между охлаждающим агентом и ротором.
Причина этого в том, что благодаря наличию таких направленных внутрь ребер не только увеличивается турбулентность охлаждающего агента, но также достигается значительное увеличение поверхности теплообмена.
Кроме того, имеет место явление, благодаря которому не только формируется спиральный поток охлаждающего агента по центру в охлаждающем канале, что, например, имеет место в вышеупомянутом документе SE 517.211, но благодаря которому получается вторичный поток между смежными ребрами, что в значительной мере способствует теплопередаче между ротором и охлаждающим агентом.
Следует также отметить, что применение направленных внутрь ребер не очевидный выбор, поскольку на первый взгляд следовало бы ожидать, что такие поворачивающие ребра оказывают скорее отрицательное влияние на сопротивление потоку поступающего охлаждающего агента.
Согласно предпочтительному признаку изобретения вышеупомянутые ребра имеют спиральную конфигурацию в осевом направлении ротора.
Причина этого, как представляется, в том, что такая спиральная конфигурация оказывает весьма положительное влияние на структуру потока охлаждающего агента в охлаждающем канале, в результате чего достигается еще более хорошая теплопередача.
Присутствие средств, которые придают охлаждающему агенту тангенциальную составляющую скорости, гарантирует то, что можно сильно уменьшить потери расхода, поскольку охлаждающий агент, который поступает в охлаждающий канал, получает тангенциальную составляющую скорости, в результате чего становится возможным хорошее втекание между направленными внутрь ребрами.
Кроме того, присутствие таких средств, которые обеспечивают тангенциальную составляющую скорости, гарантирует то, что благоприятная структура потока охлаждающего агента непременно распространиться по всей длине ребер.
Настоящее изобретение весьма подходят для применения роторов в устройствах, в которых необходимо отведение тепла, таких как компрессоры, генераторы, двигатели и тому подобное.
В случае винтовых компрессоров это чрезвычайно важно, поскольку в этом типе компрессоров воздух сжимается между винтовыми роторами, поворачивающимися с их лопастями одна в другой, вследствие чего зазор между обоими роторами должен быть для эффективного сжатия как можно меньше, и, как следствие, очень важно ограничить расширение роторов, обеспечивая их эффективное охлаждение.
Настоящее изобретение также относится к компрессору, снабженному корпусом, имеющим камеру сжатия, в которой расположен с возможностью вращения, по меньшей мере, один ротор согласно описанному выше.
Для лучшего понимания признаков настоящего изобретения оно раскрывается нижеследующим предпочтительным вариантом осуществления в качестве примера, не накладывающего на изобретение ограничений, равно как и на компрессор, который снабжен таким ротором, со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 схематически представляет вид сбоку компрессор, который снабжен двумя роторами согласно изобретению;
фиг.2 представляет собой разрез по линии II-II, показанной на фиг.1;
фиг.3 схематически представляет вид в перспективе части, которая обозначена позицией F3 на фиг.2;
фиг.4 представляет собой разрез по линии IV-IV, показанной на фиг.2;
фиг.5 представляет собой часть, обозначенную позицией F5 на фиг.2, в разобранном виде;
фиг.6 и 7 представляют собой разрезы соответственно по линиям VI-VI и VII-VII, показанным на фиг.2;
фиг.8 схематически представляет компрессор с, по меньшей мере, одним ротором и с охлаждающим контуром согласно изобретению;
фиг.9 представляет часть, обозначенную позицией F9 на фиг.4, в более крупном масштабе.
На фиг.1 и 2 представлен компрессор 1, который в этом случае выполнен в виде винтового, содержащий корпус 2 с камерой 3 сжатия и двумя зацепляющимися роторами в ней, ведущим ротором 4 и ведомым ротором 5 соответственно, каждый из которых содержит вал 6, концы которого установлены с возможностью вращения в корпусе 2 на подшипниках 7.
В этом случае оба ротора 4 и 5 имеют внутренний охлаждающий канал 8 с входом 9 и выходом 10 для охлаждающего агента, расположенный по центру вала 6 в осевом направлении А-А'.
Согласно изобретению вышеупомянутый охлаждающий канал 8 снабжен, по меньшей мере, в его части, направленными внутрь ребрами 11, которые в предпочтительном варианте имеют спиральную конфигурацию в направлении оси ротора 4 или 5, представленную на фиг.3.
В данном примере вышеупомянутые ребра 11 являются частью трубчатого элемента 12, который установлен в вышеупомянутом охлаждающем канале 8 и закреплен в нем, например, посредством пайки, запрессовки, заливки, сварки или тому подобного.
Наружный диаметр D вышеупомянутого элемента 12 равняется, например, 16 мм, тогда как стенка этого элемента имеет толщину, составляющую, например, почти 1 мм, но изобретение этим не ограничено.
По периметру элемента 12 и, следовательно, охлаждающего канала 8 равномерно распределены 8 вышеупомянутых направленных внутрь ребер 11, которые в этом случае расположены радиально и свободные концы которых, показанные на поперечном сечении, расположены на расстоянии друг от друга, образуя центральный открытый канал 13.
В этом случае вышеупомянутый центральный канал 13 имеет диаметр, равный, например, 4 мм, с винтовым шагом ребер 333 мм, но изобретение этим не ограничено.
Предпочтительно, чтобы ребра 11 были идентичны друг другу, но согласно изобретению ребра 11 могут также иметь различные размеры и/или формы.
Также согласно изобретению количество ребер 11 не ограничено восемью, но может быть предусмотрено большее или меньшее количество ребер 11. Однако предпочтительно, чтобы количество ребер было как можно большим.
В данном примере каждое направленное внутрь ребро 11 имеет такой виток спирали, что оно делает почти полный поворот на 360° по периметру охлаждающего канала 8 на длине ребер 11, но ясно, что на той же самой длине также могут быть реализованы несколько оборотов ребер 11.
На впускной стороне охлаждающего канала 8 на конце вала 6 ведущего ротора 4 установлена первая шестерня 14, которая находится в зацеплении с ведущей шестерней 15, схематически показанной штриховой линией и которая приводится в движение приводным двигателем 16, показанным штриховой линией.
На другом конце вала 6 ведущего ротора 4 установлено первое зубчатое колесо 17 синхронизации, которое находится в зацеплении со вторым зубчатым колесом 18 синхронизации на конце вала 6 ведомого ротора 5 для привода его в движение.
Для того чтобы зафиксировать в осевом направлении вышеупомянутые подшипники 7 и зубчатые колеса 14, 17 и 18 на валах 6, в вышеупомянутые охлаждающие каналы 8 на соответствующих концах валов 6 ввернуты втулки 19, которые расположены, по меньшей мере, на части длины охлаждающего канала 8 и которые также выходят частью 20 снаружи охлаждающего канала 8, причем на этой части 20 расположен фланец 21, который фиксирует подшипники 8 и зубчатые колеса 14, 17 и 18 на валу 6 ротора 4 или 5 и обеспечивает, по меньшей мере, частично, уплотнение для охлаждающего агента. В этом случае упомянутое уплотнение может быть выполнено в виде механического уплотнения, но ясно, что оно может также быть выполнено в форме динамического, гибридного или любого другого типа уплотнения.
Согласно изобретению нет строгой необходимости в том, чтобы вышеупомянутая втулка 19 была закреплена в установочном канале 22 посредством винтов, но также возможно крепить ее посредством запрессовки или тому подобного.
В этом случае вышеупомянутая втулка 19 и фланец 21 выполнены как единое целое, при этом вышеупомянутый фланец 21, в этом случае, выполнен в виде шестигранной головки, что позволяет завинчивать втулку 19 в охлаждающий канал 8 посредством традиционных инструментов.
В вышеупомянутой втулке 19 выполнен сквозной установочный канал 22, который имеет расширенную часть 23 около переднего конца втулки 19, а именно дальнего конца, который завинчен в охлаждающий канал 8.
Согласно предпочтительному варианту изобретения на входе охлаждающего канала 8 в соответствующих валах 6 установлены средства 24, которые при вращении ротора сообщают охлаждающему агенту тангенциальную составляющую скорости, равную скорости ротора.
Как более подробно представлено на фиг.5-7, вышеупомянутые средства 24 в этом случае содержат звездообразный профилированный вставной элемент 25 с коническим, в данном случае острым концом 26, который при его установке так, как показано на фиг.2, направлен от вышеупомянутых ребер 11 или, другими словами, установлен против потока охлаждающего агента.
Как представлено на фиг.7, вышеупомянутый вставной элемент 25 снабжен оправой 27 вокруг его другого, неконического конца, который вставлен в вышеупомянутую расширенную часть 23 установочного канала 22 втулки 19.
В этом случае вставной элемент 25 плотно установлен в вышеупомянутой втулке 19, поскольку диаметр этого вставного элемента 25 равен внутреннему диаметру установочного канала 22 во втулке 19.
Однако также согласно изобретению возможно, чтобы диаметр вставного элемента 25 был меньше чем диаметр установочного канала 22.
Предпочтительно, чтобы вышеупомянутые средства 24 были закреплены в установочном канале 22 втулки 19, например, посредством радиальной фиксации, путем выполнения на вышеупомянутой оправке 27 внешней резьбы, которая может взаимодействовать с внутренней резьбой в вышеупомянутой расширенной части 23 установочного канала 22, посредством сварки, склеивания или тому подобного.
Напротив входа 9 и выхода 10 охлаждающего канала 8 в этом случае дополнительно предусматриваются входная соединительная муфта 28 и выходная соединительная муфта 29, которые позволяют соответственно присоединить подающую линию и отводящую линию для охлаждающего агента.
Уплотнение между охлаждающим агентом и полостью компрессора, в которой имеется смазка, может, например, быть выполнено посредством механического уплотнения, динамического уплотнения, гибридного уплотнения или тому подобного.
Как представлено на фиг.8, компрессор 1 может быть снабжен охлаждающим контуром 31 для охлаждающего агента, причем предпочтительно, чтобы в этом охлаждающем контуре 31 были установлены средства 32 регулирования расхода и/или температуры охлаждающего агента, протекающего через охлаждающий канал 8, которые в этом случае выполнены в виде автоматического или неавтоматического регулирующего клапана 33.
Вышеупомянутый охлаждающий контур 31 в этом случае выполнен замкнутым, в котором, с одной стороны, имеется охлаждающийся насос или компрессор 34, а с другой стороны - охладитель 35 любого типа, воздушного или жидкостного.
Функционирование компрессора 1, который снабжен охлаждаемым ротором 4 и/или 5 согласно изобретению осуществляется следующим образом.
При запуске приводного двигателя 16 ведущий ротор 4 приводится в движение посредством зубчатых колес 14 и 15. Зубчатые колеса 17 и 18 синхронизации обеспечивают также вращение ведомого ротора 5, так что газ всасывается и сжимается в камере 3 сжатия компрессора 1.
Известно, что во время сжатия газ, роторы 4 и 5 и корпус 2 компрессора 1 сильно нагреваются.
Для отвода этой теплоты включается охлаждающий контур 31, при этом запускается насос или холодильный компрессор 34, и охлаждающий агент протекает через вход 9 в охлаждающий канал 8 в роторе 4.
Согласно изобретению охлаждающий агент может быть газообразным или жидким веществом, таким как воздух, масло, полигликоль, фреоны, холодильные агенты и тому подобное.
Поступающий охлаждающий агент сначала протекает между ребрами вставного элемента 25, причем благодаря коническому концу 26 охлаждающий агент постепенно наращивает тангенциальную скорость в радиальном направлении.
Благодаря тангенциальной составляющей скорости охлаждающий агент после прохождения им вдоль вставного элемента 25 может относительно легко протекать вдоль направленных внутрь ребер 11, при этом, как показано на фиг.9, в центральном канале 13 сначала возникает спиральный первичный поток 36, а затем между соответствующими ребрами 11 формируются вторичные потоки 37, которые способствуют оптимальной теплопередаче между охлаждающим агентом и стенкой охлаждающего канала 8, поскольку поверхность, с которой вступает в контакт каждая часть охлаждающего агента, здесь больше чем в случае осевого или спирального потока через охлаждающий канал.
Спиральное направление ребер 11 оказывает положительное влияние на конфигурацию потока охлаждающего агента в охлаждающем канале 8, так что достигается еще более хорошая теплопередача.
Кроме того, присутствие вышеупомянутых ребер 11 гарантирует то, что поверхность теплообмена является очень большой, что также оказывает положительное влияние на теплопередачу.
Для того чтобы отрегулировать или задать температуру и вязкость охлаждающего агента, можно использовать вышеупомянутые средства 32 регулирования, например, посредством большего открывания регулирующего клапана так, чтобы заставить температуру охлаждающего агента снизиться.
Наоборот, для того, чтобы заставить температуру охлаждающего агента повыситься, открытие регулирующего клапана 33 уменьшают.
Таким образом, можно ограничивать и регулировать тепловое расширение роторов 4 и 5 для ограничения износа роторов 4 и 5, вызванного взаимным контактом в случае слишком большого теплового расширения.
Наоборот, в случае более низкой тепловой нагрузки можно уменьшить роторный зазор, нагревая роторы 4 и 5 и, таким образом, повысить эффективность.
Согласно изобретению вышеупомянутые ребра 11 не обязательно должны быть частью отдельного элемента 12, но также возможно, чтобы эти ребра 11 образовывали неотъемлемую часть ротора 4 или 5.
Также не является необходимым, чтобы ребра 11 были радиально направленными; также могут быть применены загнутые ребра и/или ребра, которые вставлены наклонно по отношению к радиальному направлению.
В приведенном примере диаметр вышеупомянутого вставного элемента меньше, чем диаметр охлаждающего канала 8. Однако согласно варианту реализации изобретения, который не представлен на чертежах, возможно также, чтобы диаметр вставного элемента 25 был равным диаметру охлаждающего канала 8, и чтобы вставной элемент 25 был установлен непосредственно в этом охлаждающем канале 8 без использования при этом втулки 19.
В приведенном примере роторы 4 и 5 согласно изобретению применяются в компрессоре 1, но согласно изобретению не исключено применение ротора согласно изобретению в других типах устройств, требующих некоторого рассеяния тепла, таких как генераторы, двигатели и тому подобное.
В приведенном примере компрессор 1, соответствующие роторы 4 и 5 выполнены так, что вход 9 охлаждающего канала 8 в каждом из соответствующих валов 6 расположен на стороне привода компрессора 1, другими словами, на стороне, где расположен приводной двигатель 16.
Ясно, что роторы 4 и 5 могут быть выполнены такими, чтобы соответствующие входы 9 их охлаждающих каналов 8 располагались на различных сторонах компрессора 1.
Также возможно предусмотреть отдельный охлаждающий контур 31 для каждого ротора 4 и 5 или соединять их с единственным охлаждающим контуром 31, благодаря чему охлаждающий агент может течь последовательно или параллельно через соответствующие охлаждающие каналы 8.
Ясно, что вместо отдельного охлаждающего контура можно использовать традиционный, имеющийся в наличие охлаждающий контур, который использует, например, масло или воду, которые применяется для смазки и охлаждения, или компрессоров со смазкой маслом и с впрыскиванием воды соответственно.
Наконец, согласно изобретению имеется возможность заставить охлаждающий агент течь через соответствующие роторы 4 и 5 противотоком или в одном направлении.
Согласно изобретению охлаждающий агент можно заставить течь противотоком по отношению к траектории сжатого воздуха, но его также можно заставить течь с тем же самым направлением потока, что и сжатый воздух.
Кроме того, направление потока, расход и температура охлаждающего агента в охлаждающих каналах соответствующих роторов могут быть выбраны независимо один от другого, так что может быть получено независимое регулирование расширения обеих роторов.
Настоящее изобретение не ограничено применением в винтовом компрессоре, но может также применяться в других типах компрессоров, таких как, например, зубчатые компрессоры, воздуходувки Рутса, турбокомпрессоры, компрессоры со спиральной камерой и тому подобное.
Кроме того, изобретение не ограничено компрессорами, но оно может также использоваться во всех видах применения с роторами, которым следует обеспечивать охлаждение, как, например, в случае генераторов, двигателей, режущих инструментов и тому подобного.
Настоящее изобретение не ограничено вариантами реализации, описанными в качестве примера и представленными на прилагаемых чертежах; наоборот, такой ротор 4, 5 согласно изобретению и компрессор 1, который снабжен таким ротором 4, 5, могут быть выполнены всех видов форм и размеров и, тем не менее, будут оставаться в рамках объема данного изобретения.