РОТАЦИОННО-ПЛАСТИНЧАТЫЙ КОМПРЕССОР

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к ротационным двухступенчатым пластинчатым компрессорам с полным промежуточным охлаждением рабочего тела, и может быть использована для сжатия рабочего тела в холодильных установках, рефрижераторах, тепловых насосах и других системах, работающих по циклу с фазовым переходом рабочего тела.
Известна ротационная машина, содержащая корпус, размещенное в нем статорное кольцо с профилированной внутренней поверхностью и торцевыми крышками, концентрично установленный в статорном кольце на валу ротор с пазами, в которых размещены выпуклые со стороны кольца разделительные пластины, установленные с возможностью возвратно-поступательного перемещения и образования под пластинами полостей поджима, а в кольце - рабочих камер, и каналы подвода и отвода рабочей среды, отличающаяся тем, что с целью повышения КПД и ресурса работы, в каждой разделительной пластине вдоль продольной оси симметрии выполнен сквозной канал, сообщающий полость под пластиной с рабочей камерой, а боковые стенки каждого паза выполнены под острым углом α, который находится в диапазоне α=5÷28° к радиальному направлению, причем на выпуклой стороне пластины выполнена выемка, сообщенная со сквозным каналом (патент RU 2014505 C1, МПК F04C 18/344, 15.06.1994).
Недостатком этой ротационной машины является наличие выемок, соединенных соответствующими сквозными каналами, которые, в свою очередь, соединены с полостями поджима, которые в совокупности представляют собой мертвый объем, уменьшающий коэффициент подачи компрессора.
Также к недостаткам этого устройства относится попеременное сообщение полости поджима сначала с полостью перед пластиной, где давление больше, а затем с полостью после пластины, где давление меньше. В результате происходит перетечка рабочей среды в обратном направлении из полости нагнетания в полость всасывания, что также ухудшает объемный КПД компрессора.
Наличие в пластинах каналов увеличивает их толщину, а из области техники известно, что количество и толщина пластин обратно пропорциональны подаче компрессора:
V=2⋅L⋅e⋅n⋅(π⋅D-δ⋅z),
где V - объемная подача компрессора;
L - длина ротора компрессора;
е - эксцентриситет;
n - число оборотов ротора компрессора;
D - внутренний диаметр цилиндра;
δ - толщина пластин;
z - число пластин.
В качестве прототипа выбран ротационно-пластинчатый компрессор, содержащий корпус, размещенную в нем основную камеру, состоящую из цилиндра торцевых крышек, охватывающих ротор, и цилиндрического распределителя, размещенные на части длины ротора дополнительные камеры сжатия рабочей среды, которые образованы распределителем, установленным на стойках, и ротор с пазами и разделительными пластинами и полостями, выполненными напротив каждой из них, при этом корпус содержит рубашку охлаждения, крышки установлены в корпусе с возможностью вращения, цилиндрическая поверхность распределителя стоек установлена коаксиально относительно цилиндра торцевых крышек, а в стойках выполнены соосные отверстия, в которых размещен вал, отличающийся тем, что торцевые крышки снабжены радиатором и втулкой, установленной коаксиально относительно цилиндра торцевых крышек и которая вместе с распределителем стойки размещена на части длины ротора, в полостях которого размещены противовесы, соединенные тягами с каждой разделительной пластиной, корпус выполнен с окнами и снабжен емкостью маслосборника, а одна из стоек снабжена поршневым диском, при этом полости ротора сообщены каналами с его пазами, содержащими продольные канавки и сообщающимися посредством каналов, выполненных в валу и роторе с нижним уровнем емкости маслосборника, поршневая полость стойки, как и ее распределителя, также снабженного поршневым диском, сообщена посредством канала с каналом нагнетания соответствующей камеры, и выполнены с возможностью осевого прижатия торцевых крышек и распределителя стоек к ротору при его вращении, а цилиндрические поверхности торцевых крышек, обращенные к распределителям, снабжены уплотнением, например, торцового типа (патент RU 2202713 С2, МПК F04C 18/344, 20.04.2003).
Основными недостатками прототипа являются низкая надежность работы компрессора, низкий объемный, механический и политропный коэффициент полезного действия (КПД), отсутствие возможности охлаждения компрессора без использования внешних дополнительных источников, а также сложная конструкция компрессора, что увеличивает трудоемкость его изготовления.
Это обусловлено тем, что разделительные пластины, вращающиеся вместе с ротором, своими внутренними и наружными кромками плотно касаются неподвижного распределителя и опорной поверхности корпуса, и в результате их износа и отсутствия компенсации увеличивается зазор Δt, что приводит к возникновению перетечек рабочей среды между пластинами и в конечном счете к потере работоспособности компрессора.
Кроме этого, из-за отсутствия системы регулировки и контроля давления в штоковой и поршневой полости механизма разгрузки с учетом несоизмеримой разности площади поршня, продольной площади пластины и ее массы, в процессе работы возможно возникновение ситуации, когда пластина будет очень сильно прижата к опорной поверхности корпуса, что вызовет повышенное трение и износ и, как следствие, нарушение герметичности рабочих полостей компрессора.
Наличие дополнительного контура охлаждения требует установки дополнительной системы охлаждения.
Задачей полезной модели является разработка конструкции ротационно-пластинчатого компрессора, в которой устранены недостатки аналога и прототипа.
Техническим результатом является повышение объемного и политропного КПД, уменьшение затраты работы на сжатие рабочего тела и обеспечение возможности охлаждения компрессора без использования внешних дополнительных источников.
Технический результат достигается тем, что ротационно-пластинчатый компрессор, содержащий корпус с рубашкой охлаждения, полостью всасывания и полостью нагнетания, соединенными соответственно с каналом подвода и каналом отвода рабочего тела, боковые крышки, которые закреплены к корпусу резьбовым соединением, ротор с приводным валом и торцевые крышки, которые размещены внутри корпуса, при этом ротор имеет пазы, выполненные под углом радиальному направлению вращения, в каждом пазу установлены разделительные пластины, каждая торцевая крышка имеет углубление, которое в совокупности с боковыми крышками образует полость охлаждения, согласно настоящей полезной модели компрессор выполнен двухступенчатым, при этом первая ступень компрессора имеет полость всасывания рабочего тела, полость сжатия рабочего тела до промежуточного давления и полость нагнетания рабочего тела под промежуточным давлением, а вторая ступень компрессора имеет полость всасывания рабочего тела под промежуточным давлением, полость сжатия рабочего тела до высокого давления и полость нагнетания рабочего тела, причем первая и вторая ступени компрессора образованы рабочей поверхностью корпуса, имеющей криволинейный профиль, ротором и торцевыми крышками, при этом полость нагнетания рабочего тела под промежуточным давлением первой ступени компрессора соединена каналом с полостью для подвода рабочего тела в нижнюю часть рубашки охлаждения, а полость всасывания рабочего тела под промежуточным давлением второй ступени компрессора соединена каналом с полостью для отвода рабочего тела из верхней части рубашки охлаждения, с обеих сторон в верхней и нижней частях корпуса выполнены отверстия, которые в сопряжении с отверстиями, выполненными в верхней и нижней частях каждой торцевой крышки, образуют каналы для подвода и отвода рабочего тела к полости охлаждения между каждой торцевой и боковой крышкой, в роторе, между пазов для пластин, выполнены полости охлаждения, которые при вращении ротора соединяются поочередно, через отверстие, выполненное в нижней части каждой торцевой крышки, с полостью охлаждения между каждой торцевой и боковой крышкой, а в нижней части корпуса выполнено резьбовое отверстие для подвода в полость рубашки охлаждения жидкого рабочего тела под промежуточным давлением.
При этом на рабочие поверхности корпуса и торцевых крышек нанесено антифрикционное покрытие на основе металлических, или керамических, или полимерных материалов методами газотермического напыления, или методами плазменного нанесения покрытий, или плазменной закалкой, или плазменной модификацией, или вакуумными методами нанесения покрытий.
За счет образования двух ступеней сжатия реализуется процесс двухступенчатого сжатия рабочего тела в одном корпусе за один оборот, что в совокупности с промежуточным охлаждением рабочего тела повышает политропный КПД и уменьшает затрату работы на сжатие рабочего тела.
При двухступенчатом процессе сжатия степень повышения давления для каждой ступени в два раза меньше результирующей для всего компрессора, а из области техники известно, что с уменьшением степени сжатия уменьшаются перетечки рабочего тела между рабочими полостями, что повышает объемный КПД компрессора.
За счет подвода жидкого рабочего тела в рубашку охлаждения и в полости охлаждения через каналы, образованные отверстиями с обеих сторон в верхней и нижней частях корпуса, и верхней и нижней частях каждой торцевой крышки, осуществляется процесс охлаждения рабочих поверхностей компрессора до температуры кипения рабочего тела при промежуточном давлении без использования внешних источников энергии.
Наличие полостей охлаждения в роторе между пазов для пластин, которые при вращении ротора соединяются поочередно, через отверстие, выполненное в нижней части каждой торцевой крышки, с полостями охлаждения между каждой торцевой и боковой крышками, образующими канал для циркуляции жидкого и газообразного рабочего тела, обеспечивает эффективное охлаждение ротора до температуры промежуточного давления, и позволяет повысить герметичность рабочих полостей сжатия за счет уменьшения температурного зазора между размером паза и пластины и, как следствие, объемный КПД компрессора.
Нанесение антифрикционного покрытия на рабочие поверхности корпуса и торцевых крышек позволяет уменьшить коэффициент трения, следовательно, - уменьшить затрату работы компрессора.
Таким образом, в совокупности, перечисленные отличительные существенные признаки позволяют получить новый технический результат: повысить объемный и политропный КПД, уменьшить затрату работы на сжатие рабочего тела, эффективно охлаждать компрессор без использования внешних дополнительных источников.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1, 2, 3, 4, 5 и 6 представлен предлагаемый ротационный двухступенчатый компрессор (на фиг. 1 - общий вид в разрезе, на фиг. 2 - вид сверху А на фиг. 1, на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1, на фиг. 4 - сечение В-В на фиг. 2, на фиг. 5 - сечение Г-Г на фиг. 2, на фиг. 6 - выносной вид Д на фиг. 1).
Цифрами на чертежах обозначены:
1 - корпус,
2 - боковая крышка,
3 - ротор,
4 - торцевая крышка,
5 - резьбовое соединение,
6 - паз,
7 - разделительная пластина,
8 - рабочая камера,
9 - полость всасывания рабочего тела (первой ступени компрессора),
10 - полость нагнетания рабочего тела (второй ступени компрессора),
11 - канал подвода рабочего тела,
12 - канал отвода рабочего тела,
13 - рубашка охлаждения,
14 - полость охлаждения,
15 - соосные отверстия,
16 - приводной вал,
17 - шарнирный узел,
18 - уплотнение,
19 - рабочая поверхность корпуса, имеющая криволинейный профиль,
20 - полость сжатия рабочего тела до высокого давления (второй ступени компрессора),
21 - полость сжатия рабочего тела до промежуточного давления (первой ступени компрессора),
22 - полость нагнетания рабочего тела под промежуточным давлением (первой ступени компрессора),
23 - полость всасывания рабочего тела под промежуточным давлением (второй ступени компрессора),
24 - канал полости нагнетания под промежуточным давлением,
25 - канал полости всасывания под промежуточным давлением,
26 - полость для подвода рабочего тела в нижнюю часть рубашки охлаждения,
27 - полость для отвода рабочего тела из верхней части рубашки охлаждения,
28 - отверстие в верхней и нижней торцевой крышке,
29 - канал, образованный отверстиями с обеих сторон в верхней и нижней части корпуса и отверстиями в верхней и нижней торцевых крышках,
30 - полости охлаждения ротора,
31 - отверстие в нижней части торцевой крышки,
32 - резьбовое отверстие в корпусе для подвода жидкого рабочего тела,
33 - антифрикционное покрытие.
Предлагаемый ротационно-пластинчатый компрессор, содержащий корпус 1, боковые крышки 2 (см. фиг. 1), размещенного внутри него ротора 3 (см. фиг. 1 и 3) и торцевых крышек 4, при этом боковые крышки 2 крепятся к корпусу 1 резьбовым соединением 5 (см. фиг. 2). Ротор 3 имеет пазы 6, выполненные под углом к радиальному направлению вращения.
В каждом пазу 6 установлены разделительные пластины 7 (см. фиг. 3), образующие совместно с корпусом 1 и торцевыми крышками 4, рабочие камеры 8. Корпус имеет полости всасывания 9 и нагнетания 10 рабочего тела, соединенные соответственно с каналами подвода 11 и отвода 12 (см. фиг. 3, 4 и 5) рабочего тела, и рубашку охлаждения 13 (см. фиг. 1), а торцевые крышки 4 имеют углубление, которое в совокупности с боковыми крышками 2 образуют полости охлаждения 14. В торцевых крышках 4 выполнены соосные отверстия 15, а в боковых крышках 2 выполнены полости, в которых размещен приводной вал 16, шарнирные узлы 17 и уплотнения 18. Отличием предлагаемого ротационно-пластинчатого компрессора является то, что компрессор выполнен двухступенчатым, при этом первая ступень компрессора имеет полость 9 всасывания рабочего тела, полость 21 сжатия рабочего тела до промежуточного давления и полость 22 нагнетания рабочего тела под промежуточным давлением (см. фиг. 4), а вторая ступень компрессора имеет полость 23 всасывания рабочего тела под промежуточным давлением, полость 20 сжатия рабочего тела до высокого давления и полость 10 нагнетания рабочего тела (см. фиг. 5).
Первая и вторая ступени компрессора образованы рабочей поверхностью корпуса 1, имеющей криволинейный профиль 19, ротором 3 и торцевыми крышками 4 (см. фиг. 1 и 3).
Полость 22 нагнетания рабочего тела под промежуточным давлением первой ступени компрессора соединена каналом 24 с полостью 26 для подвода рабочего тела в нижнюю часть рубашки охлаждения 13 (см. фиг. 4).
Полость 23 всасывания рабочего под промежуточным давлением второй ступени компрессора соединена каналом 25 с полостью 27 для отвода рабочего тела из верхней части рубашки охлаждения 13 (см. фиг. 5).
С обеих сторон в верхней и нижней частях корпуса 1 выполнены отверстия 29, которые в сопряжении с отверстиями 28, выполненными в верхней и нижней частях каждой торцевой крышки 4, образуют каналы для подвода и отвода рабочего тела к полости 14 охлаждения между каждой торцевой и боковой крышкой (см. фиг. 1 и 6).
В роторе 3, между пазов 6 для пластин 7, выполнены полости 30 охлаждения, которые при вращении ротора 3 соединяются поочередно, через отверстие 31, выполненное в нижней части каждой торцевой крышки 4, с полостью 14 охлаждения между каждой торцевой и боковой крышкой (см. фиг. 1 и 3).
В нижней части корпуса 1 выполнено резьбовое отверстие 32 для подвода в полость рубашки охлаждения 13 жидкого рабочего тела под промежуточным давлением (см. фиг. 1).
На все рабочие поверхности (поверхности трения) корпуса 1 и торцевых крышек 4 (см. фиг. 1) нанесено антифрикционное покрытие 33 (см. фиг. 3), уменьшающее коэффициент трения, на основе металлических, или керамических, или полимерных материалов методами газотермического напыления, или методами плазменного нанесения покрытий, или плазменной закалкой, или плазменной модификацией, или вакуумными методами нанесения покрытий.
Предлагаемый ротационно-пластинчатый компрессор работает следующим образом.
При вращении приводного вала 16 (см. фиг. 1) начинает вращаться соединенный с ним ротор 3 вместе с разделительными пластинами 7 (см. фиг. 3), при этом под действием центробежных сил разделительные платины 7, перемещаясь в пазах 6, прижимаются к рабочей поверхности корпуса 1 с нанесенным на нее антифрикционным покрытием 33. При этом изменяются объемы рабочих камер 8 между пластинами.
При перемещении разделительных 7 пластин от точки "h" до точки "а" объем рабочих камер 8 увеличивается, что приводит к снижению давления в полости 9 - процесс всасывания газообразного рабочего тела из канала подвода 11 (см. фиг. 3). При дальнейшем перемещении от точки "а" до "b" (см. фиг. 4) объем рабочих камер 8 уменьшается-осуществляется процесс сжатия рабочего тела в полости сжатия 21 до величины промежуточного давления, затем от точки "b" до точки "с" - осуществляется процесс нагнетания рабочего тела в полость 22. Из полости 22 по каналу 24 рабочее тело поступает в полость 26 и далее в рубашку охлаждения 13 (см. фиг. 1), которые заполнены жидким рабочим телом. При прохождении газообразного рабочего тела через жидкую фазу происходит процесс его охлаждения за счет кипения при промежуточном давлении. Из-за разности плотностей газообразное рабочее тело с учетом испарившейся части поступает в полость отвода рабочего тела 27 и далее в канал 25 (см. фиг. 5).
При перемещении разделительных 7 пластин от точки "d" до точки "e" объем рабочих камер 8 увеличивается, что приводит к снижению давления в полости 23 ниже промежуточного - осуществляется процесс всасывания газообразного рабочего тела из канала полости всасывания 25 (см. фиг. 5). При дальнейшем перемещении пластин от точки "e" до "f" (см. фиг. 5) объем рабочих камер 8 уменьшается и осуществляется процесс сжатия рабочего тела в полости сжатия высокого давления 20 до давления нагнетания компрессора, затем от точки "f" до точки "g" - осуществляется процесс нагнетания рабочего тела в полость 10 и далее в канал отвода рабочего тела 12.
Главной особенностью предлагаемого компрессора является то, что его корпус 1 (см. фиг. 1) и рабочая поверхность 19 (см. фиг. 3) имеет специальный профиль, который в совокупности с ротором 3 и торцевыми крышками 4 (см. фиг. 1) образуют две ступени сжатия, высокого 20 и промежуточного 21 давления (см. фиг. 3). Это позволяет реализовать процесс двухступенчатого сжатия рабочего тела в одном корпусе за один оборот, что в совокупности с промежуточным охлаждением рабочего тела уменьшает затрату работы компрессора и повышает его политропный КПД. В свою очередь, процесс двухступенчатого сжатия позволяет уменьшить степени сжатия в два раза, и тем самым уменьшить перетечки рабочего тела между рабочими полостями, что увеличивает коэффициент, тем самым повышает объемный КПД компрессора.
Наличие в одной части устройства в корпусе полости нагнетания 22 (см. фиг. 4) рабочего тела и другой части устройства в корпусе полости всасывания 23 (см. фиг. 5) рабочего тела под промежуточным давлением, которые соответственно соединены каналами нагнетания 24 (см. фиг. 4) и всасывания 25 (см. фиг. 5) с соответствующими полостями, для подвода 26 (см. фиг. 4) и отвода 27 (см. фиг. 5) рабочего тела в рубашку охлаждения 13 (см. фиг. 1), заполненную жидким рабочим телом, подведенным через резьбовое отверстие 32 в корпусе 1, позволяет организовать циркуляцию рабочего между полостями 22 и 23 (см. фиг. 4 и 5) и через рубашку охлаждения 13 (см. фиг. 1), что обеспечивает процесс охлаждения рабочей поверхностей 19 (см. фиг. 3) и полного промежуточного охлаждения рабочего тела при промежуточном давлении без использования внешних источников энергии и уменьшает затрату работы компрессора на сжатие рабочего тела. За счет использования процесса фазового перехода (кипения) рабочего тела при интенсивной турбулизации жидкой фазы рабочего тела в рубашке охлаждения 13 (см. фиг. 1) газообразной фазой, для охлаждения компрессора, позволяет уменьшить внутреннюю затрату энергии на работу охлаждения, следовательно, повысить КПД компрессора. Наличие в верхней и нижней части корпуса 1 отверстий 28, которые в сопряжении с торцевыми отверстиями 29, выполненными в верхней и нижней частях каждой торцевой крышки 4, образуют каналы для подвода и отвода рабочего тела к полости охлаждения 14, и наличие полостей охлаждения ротора 30 между пазов 6 для пластин 7, которые при вращении ротора 3 соединяются поочередно с полостями охлаждения 14, через отверстия 31 в торцевых крышках 4 (см. фиг. 1 и 3), обеспечивает эффективное охлаждение ротора до температуры промежуточного давления, и позволяет повысить герметичность рабочих полостей сжатия за счет уменьшения температурного зазора между размером паза и пластины и, как следствие, объемный КПД компрессора. Подвод жидкого рабочего тела в рубашку охлаждения 13 и в полости охлаждения 14, в количестве пропорциональном работе компрессора предотвращает его переполнение.
Нанесение антифрикционного покрытия 33 на рабочие поверхности корпуса 1 и торцевых крышек 4 (см. фиг. 1 и 3) позволяет уменьшить коэффициент трения, следовательно уменьшить затрату работы компрессора и повысить его КПД.
Таким образом, полностью решена техническая задача по разработке конструкции ротационно-пластинчатого двухступенчатого компрессора с повышенным объемным, механическим и политропным КПД, уменьшенной затратой работы на сжатие рабочего тела, системой охлаждения компрессора без использования внешних дополнительных источников.
Предложенный ротационно-пластинчатый двухступенчатый компрессор соответствует условию промышленной применимости и может быть изготовлен на стандартном оборудовании с применением освоенных ранее технологий.