РОТОРНО-ПОРШНЕВАЯ МАШИНА

Полезная модель относится к машиностроению и, в частности, к классу машин, предназначенных для получения сжатого газа или преобразования энергии сжатого газа в полезную работу.
Обычно для сжатия газов используют поршневые, центробежные или роторные машины. В последнее время получают распространение спиральные компрессоры. Все эти устройства имеют свои преимущества и недостатки: поршневые сложно уравновешивать, они подвержены повышенным нагрузкам при достижении верхней мертвой точки (ВМТ), имеют достаточно большие скорости перемещения рабочих поршней, и, следовательно, повышенный уровень потерь на трение. По этим причинам компрессоры требуют хорошего охлаждения, смазки. Кроме того, они обладают значительным весом, производят повышенный уровень шума и, как правило, требуют периодической остановки для проведения профилактических работ.
Центробежные компрессоры не позволяют получить значительные степени сжатия в одной ступени из-за необходимости достижения весьма высоких окружных скоростей рабочего колеса (более 600 м/сек.), что приводит к росту оборотов машины и снижению ее длительной работоспособности.
Роторные машины лопастные (RF №2200234 от 10.03.2003 г. F01c 1/344) и роторно-поршневые (RU №2299990 от 27.06.2007 г. F01C 1/077) позволяют в принципе достигать в одной ступени более высоких степеней сжатия по сравнению с центробежными компрессорами при существенно более низких числах оборотов. Это же относится и к спиральным компрессорам.
Несмотря на очевидные достоинства, роторные машины обладают и рядом существенных недостатков. Например, изготовление спиральных компрессоров требует использования специального высокоточного оборудования, т.к. рабочими поверхностями в этих машинах являются эвольвентные поверхности, выполняемые с высокой точностью и качеством сопрягаемых деталей. Это увеличивает стоимость машины, а сложность ее охлаждения требует применения достаточно изощренных конструкционных решений. Кроме того принципиально трудно создать спиральные машины с высокой производительностью.
Лопастные компрессоры оказываются хуже поршневых по достижению существенных степеней сжатия в одной ступени из-за значительно более высоких скоростей движения лопаток относительно корпуса по сравнению со скоростями поршней. Вследствие этого происходит повышенный уровень потерь на трение и наличие значительных утечек рабочего тела через контактные поверхности. Тем не менее, достаточно широко распространены лопастные пневмодвигатели благодаря простоте и надежности конструкции таких машин.
Роторно-поршневые машины по идее должны обладать достоинствами чисто роторных машин и не иметь или обладать сильно уменьшенными недостатками, присущими поршневым и центробежным машинам. В качестве прототипа авторы выбрали двигатель внутреннего сгорания, описанный в Патенте РФ №2410554 от 27.01.2011 г. (авторы Первунин В.Г. и др.) в котором применены роторно - поршневой компрессор и роторно - поршневая машина расширения.
Двигатель состоит из компрессора, машины расширения и камеры сгорания, в которую подается сжатый в компрессоре воздух и углеводородное топливо. Особенность конструкции роторно-поршневых машин, из которых состоит двигатель, заключается в том, что в цилиндрическом корпусе машин размещается эксцентриковый вал, на котором соосно размещено цилиндрическое кольцо, соединенное с корпусом машин шарнирно закрепленной на кольце и корпусе заслонкой. Цилиндрическое кольцо находится в контакте с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса, создавая замкнутую полость между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса машины, кольцом эксцентрикового вала и заслонкой. При вращении эксцентрикового вала эта полость изменяет свой объем, обеспечивая компрессию воздуха или преобразование давления продуктов сгорания, поступающих из камеры сгорания двигателя, в полезную работу. При вращении эксцентрикового вала кольцо совершает возвратно поступательное движение, причем из-за небольшого эксцентриситета вала средняя скорость движения кольца оказывается много меньше средней скорости поршней в поршневой машине того же рабочего объем, а нагрузки, действующие на эксцентриковый вал, существенно ниже.
По мнению авторов, основным недостатком предложенного технического решения является трудность обеспечения надежного контакта наружной поверхности кольца вала и внутренней поверхности цилиндрического корпуса. Кроме того эксцентриковый вал и внутренняя поверхность кольца должны соприкасаться. По этой причине относительная скорость практически радиально неподвижного кольца и эксцентрикового вала оказывается весьма существенной и зависит от оборотов двигателя. Эти обстоятельства могут привести к значительным трудностям при реализации конструкции двигателя, особенно в машине расширения, а также роста потерь на трение.
Задача, которую решают авторы полезной модели, состоит в том, чтобы устранить отмеченные в прототипе недостатки.
Для устранения этих недостатков нами предлагается конструкция роторно-поршневой машины (фиг.1), состоящей из цилиндрического корпуса (1), кольцевого рабочего поршня (2), находящегося в постоянном контакте с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, герметичной заслонки (8), шарнирно соединенного с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса машины и наружной поверхностью кольцевого поршня. Внутри кольцевого поршня размещен рабочий вал - водило, состоящий из кривошипа (6) с выходным валом (7), на периферии вала - водилы закреплен свободно вращающийся ролик (3), находящийся в постоянном контакте с внутренней поверхностью кольцевого поршня. В корпусе машины размещены также окно для поступления или выхлопа рабочего тела машины (9) и впускной (или выпускной) клапан (10) - в зависимости от того -компрессор это или машина расширения. Машина закрыта крышками с элементами уплотнения торцевых поверхностей корпуса, кольцевого поршня и герметичной заслонки (фиг.1 не показаны). Для обеспечения надежного контакта кольцевого поршня с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и ролика с внутренней поверхностью поршня, ролик закреплен на вале - водиле посредством эксцентрикового валика (4), опирающегося на подпружиненные опоры (5), расположенные на вале - водиле. Это позволяет при сборке машины поворотом эксцентрикового валика осуществить надежный контакт между сопрягаемыми поверхностями и таким образом обеспечить необходимую герметичность контакта, а за счет подпружиненных опор, с помощью которых валик закреплен на валу - водиле, компенсировать в процессе работы неточности изготовления по соприкасающимся поверхностям корпуса и кольцевого поршня.
Роторно-поршневая машина в режиме компрессора работает следующим образом. При вращении вала (7) ролик прокатывается по внутренней поверхности кольцевого поршня, прижимает его наружную поверхность к внутренней поверхности корпуса, обеспечивая герметичность контакта, и заставляет кольцевой поршень осуществлять возвратно поступательное движение. Благодаря этому изменяется объем, заключенный между внутренней поверхностью корпуса, наружной поверхностью кольцевого поршня и герметичной заслонкой. Это приводит к сжатию газа в этой полости, который затем выводится через выпускной клапан (10) в линию высокого давления компрессора. Одновременно из-за увеличения объема в противоположной полости машины в нее поступает газ низкого давления через впускной штуцер (окно) (9). В случае использования машины в качестве машины расширения для получения полезной работы в рабочую полость подается через впускной клапан газ высокого давления. Давление воздействует на герметичную заслонку, наружную поверхность кольцевого поршня. Возникшее усилие воздействует на ролик и создает момент но рабочем валу - водиле. Вал начинает вращаться, совершая полезную работу. После расширения и перемещения кольцевого поршня за счет поворота вала - водила открывается выхлопное окно, и газ вытесняется в систему низкого давления или в атмосферу.
Техническим результатом является то, что в предлагаемой конструкции роторно - поршневой машины решаются проблемы обеспечения надежного контакта кольцевого поршня с внутренней поверхностью кольцевого корпуса.
Обеспечивается минимальное трение между валом - водилом и внутренней поверхностью кольцевого поршня за счет использования свободно вращающегося ролика, размещенного на валу - водиле.
Надежный контакт между сопрягаемыми поверхностями достигается при сборке машины за счет радиального смещения ролика поворотом эксцентрикового валика.
В свою очередь эксцентриковый валик закреплен на валу - водиле в подпружиненных опорах, которые компенсируют при вращении вала - водилы возможные неточности изготовления сопрягающихся деталей.