ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области малогабаритных высокооборотных пневматических двигателей.
Одним из важнейших условий возможного применения пневматических двигателей для привода вращения гидро- и пневмонасосов, ручных шлифовальных машин и других агрегатов является стабильность числа оборотов ротора при изменяющейся нагрузке. Это обусловливает необходимость использования в пневматическом двигателе регулятора числа оборотов. Практика показывает, что наиболее эффективными являются регуляторы, действие которых основано на реализации принципа отрицательной обратной связи между числом оборотов ротора и площадью проходного сечения проточной части привода вращения.
Известен турбинный пневмодвигатель (Авторское свидетельство СССР №1809129, F01D 21/02, 1993), в котором исполнительными элементами датчика числа оборотов являются центробежные грузы, выполненные в виде шариков, размещенных в пределах вала. Вращаясь вместе с валом, шарики под действием центробежных сил создают осевое усилие на подпружиненный золотник, сообщающий устройство подвода газа с приводом вращения. Усилие, воздействующее на золотник, изменяется в зависимости от числа оборотов ротора, соответствующим образом изменяется и площадь проходного сечения окон золотника. Таким образом, осуществляется воздействие на мощность привода вращения турбинного пневмодвигателя.
Описанная конструкция сложна в изготовлении и ненадежна из-за наличия элементов ротора, предназначенных для осуществления поступательных перемещений.
Известен регулятор числа оборотов (Патент США №4776752, 1988) исполнительным элементом которого является эластичное кольцо, установленное с прилеганием к периферийной цилиндрической стенке регулировочной камеры. Цилиндрическая стенка имеет сквозные прорези для прохода газа к приводу вращения. При работе пневматического двигателя эластичное кольцо вращается вместе с ротором. Находясь под действием центробежных сил, эластичное кольцо, взаимодействуя с периферийной цилиндрической стенкой регулировочной камеры, получает упругую поперечную деформацию. При этом эластичное кольцо сплющивается и частично перекрывает проходное сечение сквозных прорезей, через которые поток газа поступает к приводу вращения. Величина перекрытой эластичным кольцом площади проходного сечения сквозных прорезей зависит от числа оборотов ротора. Таким образом, осуществляется воздействие на мощность привода вращения пневматического двигателя.
Описанный регулятор частоты вращения имеет ограниченную область применения и предназначен для использования совместно с турбинами, имеющими 100% степень реактивности, называемыми сокращенно реактивными турбинами (А.Г. Курзон. Теория судовых паровых и газовых турбин, с. 77, с. 92. Л.: «Судостроение», 1979. - 592 с).
Известен пневматический двигатель (Патент РФ №2406828, F01D 15/06, 2010), который выбран за прототип. Пневматический двигатель содержит корпус, присоединенное к корпусу подводящее устройство и установленный в корпусе с возможностью вращения ротор, включающий в себя вал с размещенными на нем приводом вращения и регулятором числа оборотов, последний выполнен в виде регулировочной камеры с эластичным кольцом, регулировочная камера ограничена соосными оси вращения ротора внутренней и периферийной цилиндрическими стенками и двумя боковыми стенками, образующими проходное сечение регулировочной камеры, первая боковая стенка содержит первую группу отверстий, сообщающую регулировочную камеру с подводящим устройством, размещенную в едином цилиндрическом сечении, соосном оси вращения ротора, вторая боковая стенка содержит вторую группу отверстий, сообщающую регулировочную камеру с приводом вращения, размещенную в едином цилиндрическом сечении, соосном оси вращения ротора, а эластичное кольцо установлено в осевом зазоре между боковыми стенками регулировочной камеры с возможностью упругой деформации под воздействием центробежных сил, причем указанное кольцо оставляет проходное сечение регулировочной камеры свободным.
Эластичное кольцо регулятора числа оборотов установлено с прилеганием к периферийной цилиндрической стенке регулировочной камеры. Во время работы пневматического двигателя эластичное кольцо вращается вместе с ротором. При этом поток газа поступает в регулировочную камеру через первую группу отверстий, затем проходит мимо эластичного кольца ко второй группе отверстий и далее поступает в привод вращения.
Находясь под действием центробежных сил, эластичное кольцо, взаимодействуя с периферийной цилиндрической стенкой регулировочной камеры, получает упругую поперечную деформацию. При этом эластичное кольцо сплющивается и частично перекрывает проходное сечение второй группы отверстий, через которые поток газа поступает к приводу вращения. Величина перекрытой площади проходного сечения второй группы отверстий эластичным кольцом зависит от числа оборотов ротора пневматического двигателя. Таким образом, осуществляется воздействие на мощность привода вращения пневматического двигателя.
Основным недостатком конструкции является относительно малая абсолютная величина поперечной деформации эластичного кольца при работе регулятора числа оборотов. Это ограничивает область применения регулятора, так как последний способен оказывать воздействие на мощность привода вращения только в быстроходных пневматических двигателях, частота вращения которых превышает 25000 об/мин. При этом даже на номинальных режимах работы пневматического двигателя проходное сечение проточной части привода вращения оказывается существенным образом перекрытым, что снижает энергетическую эффективность пневматического двигателя.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, - совершенствование конструкции пневматического двигателя.
Технический результат от использования полезной модели заключается в расширении области возможного применения пневматического двигателя и повышении энергетической эффективности пневматического двигателя.
Указанный результат достигается тем, что в пневматическом двигателе, содержащем корпус, присоединенное к корпусу подводящее устройство и установленный в корпусе с возможностью вращения ротор, включающий в себя вал с размещенными на нем приводом вращения и регулятором числа оборотов, последний выполнен в виде регулировочной камеры с эластичным кольцом, регулировочная камера ограничена соосными оси вращения ротора внутренней и периферийной цилиндрическими стенками и двумя боковыми стенками, образующими проходное сечение регулировочной камеры, первая боковая стенка содержит первую группу отверстий, сообщающую регулировочную камеру с подводящим устройством, размещенную в едином цилиндрическом сечении, соосном оси вращения ротора, вторая боковая стенка содержит вторую группу отверстий, сообщающую регулировочную камеру с приводом вращения, размещенную в едином цилиндрическом сечении, соосном оси вращения ротора, а эластичное кольцо установлено в осевом зазоре между боковыми стенками регулировочной камеры с возможностью упругой деформации под воздействием центробежных сил, причем указанное кольцо оставляет проходное сечение регулировочной камеры свободным, диаметр цилиндрического сечения, с внутренней стороны которого расположена вторая группа отверстий, не превышает диаметр цилиндрического сечения, с наружной стороны которого расположена первая группа отверстий, а эластичное кольцо установлено с прилеганием к внутренней цилиндрической стенке и двум боковым стенкам регулировочной камеры с возможностью перемещения в центробежном направлении для перекрытия проходного сечения регулировочной камеры на участке движения потока газа между первой группой отверстий и второй группой отверстий.
На фиг. 1 приведен продольный разрез пневматического двигателя в момент запуска; на фиг. 2 - продольный разрез пневматического двигателя в процессе работы.
Пневматический двигатель содержит корпус 1, присоединенное к корпусу подводящее устройство 2 и установленный в корпусе с возможностью вращения ротор, включающий в себя вал 3 с размещенными на нем приводом вращения и регулятором числа оборотов. В качестве привода вращения малогабаритных высокооборотных пневматических двигателей обычно применяются ротационно-пластинчатые либо турбинные приводы. В рассматриваемом варианте конструкции приводом вращения является вышеупомянутая реактивная турбина, содержащая установленный на валу 3 диск 4 и с размещенным на нем центробежным сопловым аппаратом 5. Выходное сечение центробежного соплового аппарата 5 сообщено с атмосферой с помощью выполненных в корпусе 1 выхлопных окон 6. Регулятор числа оборотов выполнен в виде регулировочной камеры с эластичным кольцом 7.
2
1
Регулировочная камера образована соосными оси вращения ротора внутренней 8 и периферийной 9 цилиндрическими стенками, а также двумя боковыми стенками, образующими проходное сечение регулировочной камеры. Первая боковая стенка 10 содержит первую группу отверстий 11, сообщающую регулировочную камеру с подводящим устройством 2, размещенную в едином цилиндрическом сечении, соосном оси вращения ротора. Вторая боковая стенка 12 содержит вторую группу отверстий 13, сообщающую регулировочную камеру с реактивной турбиной, размещенную в едином цилиндрическом сечении, соосном оси вращения ротора. Диаметр цилиндрического сечения D, с внутренней стороны которого расположена вторая группа отверстий 13, не превышает диаметр цилиндрического сечения D с наружной стороны которого расположена первая группа отверстий.
Эластичное кольцо 7 установлено с прилеганием к внутренней цилиндрической стенке 8 и боковым стенкам 10 и 12 регулировочной камеры с возможностью перемещения в центробежном направлении для перекрытия проходного сечения регулировочной камеры на участке движения потока газа между первой группой отверстий 11 и второй группой отверстий 13. Передача вращения от ротора эластичному кольцу 7 осуществляется боковыми стенками 10 и 12. Для передачи вращения от ротора эластичному кольцу 7, растянутому под действием центробежных сил, на всем участке его перемещения предусмотрен контакт последнего с боковыми стенками 10 и 12. Контакт обеспечивается тем, что осевой зазор между боковыми стенками 10 и 12 на всем участке перемещения эластичного кольца 7 в цилиндрическом сечении любого диаметра эквивалентен ширине указанного кольца, растянутого до этого же диаметра.
1
2
Пневматический двигатель работает следующим образом. Поток газа из подводящего устройства 2 через первую группу отверстий 11, расположенную на первой боковой стенке 10 с наружной стороны цилиндрического сечения диаметром D поступает в регулировочную камеру (изображено стрелками). Далее поток газа проходит через регулировочную камеру и затем поступает в реактивную турбину через вторую группу отверстий 13, расположенную на второй боковой стенке 12 с внутренней стороны цилиндрического сечения диаметром D (изображено стрелками). Взаимодействуя с лопатки центробежного соплового аппарата 5 реактивной турбины, поток газа через диск 4 передает свою энергию валу 3 пневматического двигателя и выходит в атмосферу через выполненные в корпусе 1 выхлопные окна 6.
Исполнительным элементом регулятора числа оборотов является эластичное кольцо 7, которое в момент запуска пневматического двигателя оставляет проходное сечение регулировочной камеры свободным. Принцип действия регулятора числа оборотов основан на возможности изменения площади проходного сечения регулировочной камеры на участке движения потока газа между первой группой отверстий 11 и второй группой отверстий 13.
При работе пневматического двигателя эластичное кольцо 7 вращается совместно с ротором и под действием центробежных сил осуществляет перемещение в центробежном направлении, получая эластическую продольную деформацию. Растягиваясь, эластичное кольцо 7 сохраняет соосность оси вращения ротора. При работе со стабильной частотой вращения ротора эластичное кольцо 7 занимает положение напротив второй группы отверстий 13, частично перекрывая проходное сечение регулировочной камеры на участке движения потока газа между первой группой отверстий и второй группой отверстий. Величина перекрытой площади проходного сечения регулировочной камеры эластичным кольцом 7 зависит от числа оборотов ротора пневматического двигателя. Таким образом, осуществляется воздействие на мощность привода вращения.
При увеличении нагрузки на ротор пневматического двигателя последний замедляет вращение. Это приводит к уменьшению величины центробежных сил, действующих на эластичное кольцо 7. В результате упругая деформация эластичного кольца 7 уменьшается, поэтому последнее смещается в направлении внутренней цилиндрической стенки 8, увеличивая площадь проходного сечения регулировочной камеры на участке движения потока газа между первой группой отверстий и второй группой отверстий. Соответственно, площадь проходного сечения привода вращения увеличиваются, что приводит к увеличению его мощности. В результате число оборотов ротора пневматического двигателя возвращается к прежнему значению.
При снижении нагрузки на ротор пневматического двигателя последний ускоряет вращение. Это приводит к увеличению величины центробежных сил, действующих на эластичное кольцо 7. В результате упругая деформация эластичного кольца 7 увеличивается, поэтому последнее смещается в направлении периферийной цилиндрической стенки 9, уменьшая площадь проходного сечения регулировочной камеры на участке движения потока газа между первой группой отверстий и второй группой отверстий. Соответственно, площадь проходного сечения привода вращения уменьшается, что приводит к уменьшению его мощности. В результате число оборотов ротора пневматического двигателя также возвращается к прежнему значению.
При отключении подачи сжатого газа от пневматического двигателя ротор останавливается, а эластичное кольцо 7 возвращается в положение прилегания к внутренней цилиндрической стенке 8.
В заявляемом турбинном приводе упругая поперечная деформация эластичного кольца, реализованная в прототипе, была заменена упругой продольной деформацией. Очевидно, что в любом эластичном кольце длина окружности его средней линии в продольном сечении во много раз больше его ширины в поперечном сечении. Соответственно, для эластичного кольца при одной и той же величине действующих на него центробежных сил величина абсолютного увеличения длины окружности его средней линии при продольной деформации (как в заявляемом турбинном приводе) во много раз больше, чем абсолютное увеличение его ширины при поперечной деформации (как в прототипе). Это существенно расширяет область применения регулятора и позволяет применять его в тихоходных пневматических двигателях с частотой вращения менее 25000 об/мин. При этом на номинальных режимах работы пневматического двигателя проточная часть привода вращения свободна от присутствия эластичного кольца 7 на пути потока газа. Это устраняет дополнительные потери в проточной части регулировочной камеры и повышает энергетическую эффективность пневматического двигателя.
Описанный пневматический двигатель конструктивно прост, его основные элементы могут изготавливаться на обычном обрабатывающем оборудовании.