РОТОРНАЯ МАШИНА
ROTOR MACHINE

Использование: в машиностроении в качестве компрессора, гидронасоса, пневмо- и гидродвигателя, двигателя внешнего сгорания, в том числе парового.
Из мирового уровня техники известны аналоги роторных машин, из которых наиболее близким по совокупности существенных признаков является изобретение, защищенное германским патентом DЕ 3409149 А1, а именно:
- применение профильного ротора;
- разделение камер осуществлено прямоугольными металлическими перегородками, совершающими радиальные возвратно-поступательные движения в вырезах цилиндрического корпуса и с компрессионными роликами на концах, вращающихся вокруг своей оси в равнорадиусных углублениях.
И один существенный признак полностью совпадает с примененным в Российском изобретении (патент RU 2082020 С1 с приоритетом от 07.08.1995 г.). Это сточенный по радиусу контактной поверхности компрессионный валик.
Роторная машина по вышеуказанному германскому патенту работает по следующему принципу (см. Fig.3).
Ротор имеет четыре зуба, касающихся внутренней поверхности корпуса 1 и четыре выемки-камеры 12.1. В корпусе также четыре прямоугольные выточки 11.1, в которые вставлены подвижные перегородки 4.1 с компрессионными роликами 5.1 на концах, линейно касающихся профиля ротора 2. При вращении последнего через имеющиеся узкие каналы в корпусе всасывается, а затем выталкивается через другие каналы рабочее тело.
На Fig.6 для придания новых функций конструкции в роторе выполнены внутренние выточки с установкой автоматических клапанов из S-образных пружин, а в теле корпуса - клапаны, управляемые кинематически.
К недостаткам данной конструкции следует отнести:
«дроссельный эффект» - при вытеснении рабочего тела через узкие каналы происходит непроизводительный нагрев и уменьшение производительности;
линейный контакт компрессионного ролика с профилем ротора снижает параметры по давлению/вакуумированию, а при попадании абразивов нарушается компрессия;
значительный «мертвый ход» в переходной фазе, когда компрессионные ролики прокатываются по вершинам зубьев ротора, что уменьшает КПД и производительность;
малы: коэффициент отношения рабочего объема/производительности к металлоемкости конструкции; удельная мощность;
достаточная сложность для многофункционального применения, оправданная только узкой специализацией, где «иначе нельзя», что приводит к значительным энерго- и трудозатратам. Например, корпус 1 даже для малой серии необходимо изготавливать методом литья под давлением.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является следующее.
- Аннулирование в конструкции клапанов, что значительно повысит надежность работы, увеличит моторесурс, уменьшит энерго- и трудозатраты, величину «дроссельного эффекта».
- Значительно увеличить надежность радиального уплотнения между компрессионными узлами и ротором. Это позволит «поднять» параметры по давлению/вакуумированию; применять в качестве рабочего тела не только жидкости, но и газы.
- Уменьшить угол поворота «мертвого хода» ротора при переходе из цикла в цикл с увеличением КПД и производительности.
- Минимизирование «дроссельного эффекта» уменьшит непроизводительный нагрев, проблему охлаждения машины, несколько увеличит КПД и производительность.
- Реализовать возможность работы роторной машины на средне- и низкопотенциальных энергоносителях. Объективная реальность требует таких машин, даже поступаясь некоторыми параметрами.
- Номиномизирование технологичности изготовления машины, удельной мощности с уменьшением металлоемкости.
- Реализовать конструктивно наличие у двухлопастной турбины компрессионных камер, что кроме технического результата по п.5 позволит при схеме с замкнутым циклом и использованием диссоциации газов рабочего тела иметь КПД машины более 80%.
Задача достигается в роторной машине, содержащей цилиндрический корпус, разделенный пополам ротор с лопастями, компрессионные узлы, установленные с возможностью возвратно-поступательного движения и выполненные цельнометаллическими с компрессионными валиками на их концах с возможностью колебательного вращения вокруг собственной оси, согласно изобретению компрессионные узлы снабжены синхронизаторами, ротор разделен пополам вдоль с образованием двух полуэксцентриков-лопастей, разнесенных симметрично, установленных эксцентрично относительно оси корпуса и герметично касающихся его внутренней поверхности, при этом полуэксцентрики-лопасти закреплены на полом силовом валу с прорезями, установленным с возможностью вращения на стационарном полом валу с прорезями, причем при совпадении прорезей силового и стационарного валов через полость стационарного вала осуществлено импульсное питание.
Кроме того, полуэксцентрики-лопасти могут быть выполнены мелкопористыми для промачивания смазочным материалом.
Аннулирование клапанов как таковых заменено «клапанным эффектом» при динамическом взаимодействии деталей конструкции. Конкретно: стационарный полый вал имеет диаметрально противоположные симметричные прорези, «окна». Концентричный силовой вал с закрепленными на нем симметрично двумя полуэксцентриками-лопастями также имеет прорези-«окна» перед рабочими поверхностями последних. При совмещении прорезей-«окон» через полость стационарного вала производится импульсное питание машины.
Введение в конструкцию синхронизаторов, жестко закрепленных на силовом валу снаружи со смещением их вертикальных плоскостей на угол β=9° против движения относительно линии, соединяющей начала и концы лопастей, позволяет машине «безболезненно» каждые пол-оборота осуществлять переходный период: «конец-начало цикла». Только это позволило использовать компрессионные узлы, что, в свою очередь, открыло возможность применения низкопотенциальных энергоносителей для работы машины;
- разделение ротора пополам вдоль с образованием двух полуэксцентриков-лопастей, разнесенных симметрично и установленных эксцентрично относительно оси корпуса позволило осуществить стопроцентную балансировку центров масс; вкупе с компрессионными узлами разделить рабочий объем машины на четыре камеры;
- конструктивное выполнение полуэксцентриков-лопастей мелкопористыми позволяет устранить опасное локальное давление смазки у фронта касания лопастей к внутренней образующей корпуса и превратить его в положительный эффект - промачивание лопастей по всему объему смазочным материалом;
- данный принцип конструкции машины позволяет минимизировать «дроссельный эффект» за счет увеличения проходной площади выхлопных окон.
Сущность изобретения: ротор прототипа разделяется вдоль пополам и получившиеся полуэксцентрики разносятся симметрично, эксцентрично относительно центральной оси корпуса, жестко крепятся к полому силовому валу перед диаметральными прорезями. В полость этого подвижного вала вводится с допуском подшипника скольжения второй полый вал также с диаметральными прорезями большей площади и закрепляется неподвижно, стационарно. Внутренняя поверхность цилиндрического корпуса с двумя торцевыми крышками герметично касается полуэксцентриков. В корпусе имеются отверстия для отвода рабочего тела (отработки), а также два диаметрально противоположных паза (так что цилиндрическая часть корпуса состоит из двух неполных полуколец), в которые герметично вставлены компрессионные узлы. Они совершают только возвратно-поступательные движения; торцы с компрессионными валиками направлены вовнутрь и скользят по внешним поверхностям полуэксцентриков (лопастей). В переходный период (в конце цикла, при полуобороте) синхронизаторы, посредством подшипников на стержнях, жестко укрепленных по бокам, с обеих сторон с компрессионным узлом, поддерживает последний, пока лопасть не провернется на достаточный угол (в изображенной конструкции на фиг.5 - на 9°) от вертикали и не освободит пространство для резкого опускания на «хвост» второго полуэксцентрика (лопасти) для начала нового цикла. Для смягчения удара предусмотрены два варианта демпферов: пружинно-пневматический и рычажно-пружинный.
При использовании роторной машины в качестве двигателя рабочее тело подается через полость стационарного вала, прорезь в нем же и затем, при совмещении, через прорезь (окно) в подвижном силовом валу попадает в рабочую камеру. «Выхлоп» производится через два отверстия в корпусе.
Роторная машина работает как турбина с компрессионными камерами, импульсным питанием, кинематической парой плеч и идеальной балансировкой центров масс.
При эксплуатации в качестве компрессора или насоса рабочее тело также подается (всасывается) через полый стационарный вал, а выталкивается под давлением через отверстия в корпусе, синхронно из обеих камер.
Достоинства предлагаемой роторной машины:
- отсутствие клапанов;
- работа на низко- и среднепотенциальных энергоносителях;
- стопроцентная балансировка, отсутствие биений;
- КПД более 80% при использовании в качестве двигателя внешнего сгорания замкнутого цикла с применением диссоциирующих газов, например смеси углекислого газа и метана (Е.Муслин, Машины XX века, «Машиностроение», М., 1971, с.269-276).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1. Изображена роторная машина со снятой боковой крышкой и разрезом по А-А остальных деталей, по плоскости прилегания последней. Положение деталей соответствует началу цикла, где:
R - радиус внутренней образующей корпуса с центром О (базовый параметр);
1
1
2
R - радиусы эксцентричных полуокружностей с центрами O и O (базовый параметр); эксцентриситет составит:
1
ε=R-R.
1
По заданной мощности конструктор определяет рабочий объем машины (формула в описании приводится далее) и затем определяет базовые размеры R и R;
2
R - радиус полости стационарного вала, размер которого зависит от количества роторных машин, задействованных на нем, и энергопотенциала рабочего тела;
α - угол, указывающий на ширину прорези; чем выше потенциал энергоносителя, тем меньше расчетный угол α;
γ - предельное значение угла α, когда α=γ при эксплуатации машины в качестве компрессора, насоса.
Фиг.2. В увеличенном масштабе 3:1 изображены контактирующие поверхности полуэксцентрика-лопасти и компрессионного валика, создающие радиальное уплотнение для:
- акцентирования равности их радиусов;
- очевидности лишения степени свободы движения (выпадания) компрессионного валика к центру конструкции, для чего в лоно он должен вставляться сбоку.
Фиг.3. Фронтальное, с четвертьразрезом по Б-Б, изображение роторной машины для показа расположения деталей и их кинематических связей в ракурсе 90° по отношению к фиг.1.
Фиг.4. Фронтальное изображение роторной машины в собранном виде. Синхронизатор 30 и подшипники 19 компрессионных узлов находятся в положении «начала цикла». Синхронизаторы снаружи с обеих сторон крепятся жестко на силовом валу, имеющем по восемь выступающих на концах прорезей (1-8) и также по восемь зубьев (закрашены черным цветом).
Фиг.5. Изображен синхронизатор с одним из двух рычажно-пружинных демпферов (2-й вариант) в положении «начало цикла». Пружина 37 находится в максимально сжатом состоянии, скомпенсировав силу удара компрессионного узла при опускании на «хвост» лопасти.
А также взаимное расположение синхронизатора и одной из лопастей. Причем угол β между линией, соединяющей концы лопасти, и вертикальной осью координат, которой параллельны боковые плоскости синхронизатора, составляет 9° для конструкций любой мощности (выявлен геометрическим анализом).
Фиг.6. Изображен в сборе компрессионный узел с половинным разрезом и пружинно-пневматическим демпфером (1-й вариант), который работает следующим образом.
Все детали находятся в положении «начало цикла». Цикл - пол-оборота. Далее два варианта: или пружина 25 жестко прикреплена к крышке 29 и к поршню-трубке 20, или не крепится, но тогда устанавливается ограничитель (показан пунктиром).
Когда лопасть своей эксцентричной поверхностью выталкивает компрессионный узел, поршень-трубка остается на месте. В результате воздух, находящийся в камере 24, вытесняется через отверстие 21, а в камеру над поршнем воздух из атмосферы попадает через тарированное внутреннее отверстие гайки 23. Пружины 27 «взводятся». Небольшое усилие в направлении «вертикально вверх» на поршень-трубку компенсируется ограничителем (изображен пунктиром) или незначительным растяжением пружины 25. Когда же синхронизатор резко сбрасывает компрессионный узел вниз, начинает работать пружинно-воздушный демпфер: пружина 25 слегка сжимается и замедленно выталкивается воздух через тарированное отверстие с расчетным d*.
Работает почти бесшумно, но если забьется тарированное отверстие - машина перестанет работать.
Фиг.7. Изображен узел фиксирования компрессионного валика в боковом торце лопасти. Дело в том, что в самом конце цикла последнему предстоит опуститься на «хвост» другой лопасти, на эксцентричную ее поверхность, которая немногим не горизонтально расположена. Поэтому плоская пружина 6 регулирует положение валика так, чтобы он соединялся с лопастью всей площадью вогнутой рабочей поверхности.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Роторная машина (фиг.1) состоит из цилиндрического корпуса 1, составленного из двух неполных полуколец 2 с двумя симметричными отверстиями для вывода рабочего тела, проточками 3 под гермопрокладки, с резьбовыми отверстиями 4 в обоих торцах под крепежные болты.
Неполные полукольца корпуса скреплены боковыми крышками 4а (см. фиг.3) по известной технологии.
По центру проходит стационарный полый вал 5 с симметричными, диаметрально противоположными прорезями 6 расчетной площади. На нем концентрично располагается полый подвижный (силовой) вал 7 также с симметричными, диаметрально противоположными прорезями 8 меньшей площади, выходит за пределы корпуса и синхронизаторов и имеет по восемь зубьев 9 и прорезей 10 с каждой стороны для разъемного соединения с последующими идентичными роторными машинами со смещением силовых валов на 45°, «через зуб». На этом валу внутри корпуса жестко укреплены с помощью сварки 11 перед прорезями два полуэксцентрика-лопасти 12, выполненных по технологии изготовления мелкопористых металлических фильтров (Конструкционные материалы. Под общей ред. д.т.н. Б.Н.Арзамасова, «Машиностроение», М., 1990, с.314-320) и имеющих концентрическую 13, эксцентрическую 14, а также рабочую 15 поверхности.
В пазы корпуса симметрично с обеих сторон вставлены компрессионные узлы 16, состоящие из цельнометаллических подвижных перегородок со сточенными отверстиями с одного конца, в которые вставлены сбоку (для невозможности выпадания), см. фиг.2, компрессионные валики 17. В горизонтальной плоскости с боков с обеих сторон вставлены стержни 18 с подшипниками 19 (фиг.6). Вертикально, по центру, сверху установлен пружинно-пневматический демпфер, в свою очередь состоящий из трубки-поршня 20 со сквозным отверстием 21, верхней гайки 22 и нижней гайки 23 с тарированным внутренним отверстием расчетного диаметра 24 и возвратной пружины 25. В компрессионный узел сверху вертикально вставлены с жестким соединением два стержня 26 с надетыми на них силовыми пружинами 27. Компрессионные узлы заключены в литые корпуса 28 с крышками 29.
С внешней стороны с обеих сторон на силовой вал концентрически установлены два синхронизатора 30 и жестко закреплены на последнем. Они смещены против часовой стрелки (в обратную сторону от направления вращения силового вала) на угол β относительно линии, соединяющей концы полуэксцентриков (фиг.5).
На этой же фигуре показан второй вариант гасителя (демпфера) удара компрессионного узла о полуэксцентрик в переходный период - начало нового цикла.
Он состоит из рычага 31 с прорезью 32, который может совершать колебательные вращения на шарнире 33. По центру расположен шарнир 34, к нему крепится стержень 35, проходящий через шарнир 36. На стержень надета пружина 37, работающая на сжатие, и втулка 38; ее длиной регулируется усилие пружины. Заклепками 39 крепится к синхронизатору упор 40 для рычага. На рычаг и упор наклеена резина 41 для оптимизации демпфирования и снижения шума возврата.
В режиме двигателя роторная машина работает следующим образом.
Роторная машина (фиг.1) находится в положении «начало цикла». Полуэксцентрики-лопасти 12 провернулись на 9° (угол выявлен геометрическим анализом), пропустив для опускания компрессорные узлы на «хвосты» полуэксцентриков. Образовались две рабочие камеры, ограниченные полуэксцентриками, герметически касающимися внутренней стороны цилиндрического корпуса 1, компрессионными узлами 16 и боковыми крышками 4а (фиг.4) корпуса.
При продолжении вращения силового вала 7 и поворота еще на 1° совмещаются прорези 6 и 8 соответственно в стационарном 5 и подвижном силовом 7 валах. Рабочее тело через полость стационарного вала, через упомянутые прорези устремляется в рабочие камеры. На рабочих поверхностях лопастей 15 струя изменяет направление в сторону компрессионных узлов. При этом крутящий момент увеличивается за счет изменения градиента и реактивной силы с заданием вектора направленности струе рабочего тела. В другой паре камер, ограниченных эксцентричными поверхностями лопастей, корпусом и обратными сторонами компрессионных узлов, происходит «выхлоп» отработки предшествующего цикла в атмосферу через отверстия 2 в корпусе.
Таким образом, роторная машина автоматически (путем совпадения и несовпадения прорезей 6 и 8) работает в импульсном режиме по питанию. То, что пара сил синхронно действует на две лопасти, уже в 2 раза увеличивает КПД установки по сравнению с однолопастным вариантом. Кроме того, выполняется стопроцентная балансировка центров масс.
При продолжении вращения компрессионные валики 17 герметично скользят по эксцентричным поверхностям лопастей; компрессионные узлы совершают поступательное движение по выходу из корпуса. По совмещении рабочих поверхностей компрессионных валиков с образующей внутренней поверхности корпуса синхронизаторы 30 подхватывают компрессионные узлы через подшипники на стержнях 18 (фиг.6) и удерживают их до того момента, пока лопасти, повернувшись от вертикальной оси на угол β (фиг.5), не освободят место для опускания компрессионных узлов на «хвосты» лопастей, знаменуя начало нового цикла. Для смягчения удара разработаны два варианта демпферов. Первый вариант - пружинно-пневматический (фиг.3, 6) изображен в момент окончания работы. Поршень 20 уже с сопротивлением вытеснил воздух через тарированное внутреннее отверстие расчетного диаметра гайки 23; пружина 25 находится в сжатом состоянии. Основная функция последней - «взводить» поршень (по чертежу вниз цилиндра). При этом воздух в рабочую камеру демпфера над поршнем поступает через тарированное отверстие, а находящийся под поршнем выталкивается в атмосферу через сквозное отверстие 21 по мере поднятия компрессионных узлов лопастями.
Второй вариант демпфера - пружинно-рычажный. На фиг.5 изображен один из четырех идентичных демпферов в момент, когда компрессионный узел уже опустился для начала нового цикла. Рычаг 31 отклонен на максимальный угол, пружина 37 максимально сжата, погасив излишнее усилие силовых пружин 27 (фиг.3, 6), но не полностью, а из расчета, чтобы компрессионные валики были достаточно прижаты для соблюдения компрессии. При дальнейшем вращении, до поворота на угол α (фиг.1), рабочее тело еще поступает в рабочие камеры - это активный участок. Далее, когда уже нет совмещения прорезей 6, 8 - это пассивный участок, остаточное давление рабочего тела производит работу до окончания цикла. Чем более высокий потенциал имеет энергоноситель, тем меньше рассчитываемый угол α.
В роторной машине в обязательном порядке фиксируются с одной стороны компрессионные валики пластинчатой пружиной 6 (см. фиг.7).
Рабочий объем рассчитывается по формуле:
раб.
1
комп.узлов
вырезов в лопастях
2
2
V=π(R-R )l-2V+2V;
где l - ширина лопасти.
В режиме компрессора, насоса рабочее тело подается также через полость стационарного вала 5, но теперь уже всасывается, а выталкивается под давлением одновременно в оба отверстия 2 в корпусе. Однако здесь угол α равен углу γ, то есть процесс идет до самого момента переходного периода из цикла в цикл.
В герметируемой паре: внутренняя поверхность корпуса - эксцентрическая поверхность лопасти имеет место эффект «лыжни» или «клина»; гонимая волна смазки может локально достигать значительного давления. Поэтому лопасти должны быть сделаны из мелкопористого материала (методом порошковой металлургии). Тогда локально повышенное давление масла будет скомпенсировано, и последнее, пропитав лопасть, смажет ее с боков.
Основные применения роторной машины данной конструкции: кроме указанного в аннотации основного вида использования - в качестве парового двигателя, в частности, в больших котельных. Чтобы работа котельных не прерывалась с моментом отключения электроэнергии (и, как следствие, отсутствие горячей воды в домах, замерзание и выход из строя теплоцентралей), необходимо паровыми машинами запараллелить работу электродвигателей: дымососа, сетевого, подпиточного, а также для запуска электрогенератора для обеспечения функционирования электроавтоматики. В таком случае отсекатель топлива котла шунтируется или аннулируется.
Идя в ногу с передовыми (космическими в данном случае) технологиями, в качестве энергетической установки для роторной машины, работающей двигателем внешнего сгорания, перспективно применение высокопотенциальной энергии (Т≤400000°С и ρ=100 атм) с редукционно-аккумулирующим преобразователем в среднепотенциальную энергию. Результат этого - применение широкого спектра топлив (Журнал «Инженер», № 2, 2004, с.14-16).
Система смазки стандартная, поэтому не показана. Единственно - трущуюся пару компрессионный валик - лоно лопасти необходимо покрывать антифрикционным с высокой износоустойчивостью композиционным материалом на основе фторопласта, например производимым в ООО «Adgelast», в г.Новочеркасске.