КОМПАКТНЫЙ ТРОХОИДНЫЙ КОМПРЕССОР

Заявляемое техническое решение относится к энергомашиностроению, а именно к компрессоростроению, и может быть использовано в автомобильной, авиационной, космической и других отраслях техники, где требуется получить высокие удельные характеристики компрессора, или двигателя внутреннего сгорания при ограниченных габаритных размерах.
Известна компрессорная установка, описанная в изобретении по авторскому свидетельству СССР № 1740781 (кл. МПК F04C 23/02, F04C 18/00, дата приоритета 30.10.1989, дата публикации 15.06.1992) [1].
Данная компрессорная установка содержит приводной электродвигатель, включающий корпус с боковыми крышками, установленные в последних подшипниковые опоры и размещенный в подшипниках вал электродвигателя с эксцентриком, рабочий модуль компрессора, ротор которого установлен на эксцентрике, и жестко закрепленные на валу противовесы, снабжена дополнительным рабочим модулем компрессора, установленным оппозитно основному рабочему модулю на боковой крышке. Вал дополнительного модуля закреплен одним концом в подшипниковой опоре модуля, а другим - в подшипниковой опоре электродвигателя. Валы двигателя и дополнительного модуля кинематически связаны посредством шлицевого зацепления, а эксцентрики валов смещены один относительно другого и ближнего противовеса на 180°.
Недостатками конструкции компрессорной установки являются:
Во-первых, оппозитное размещение рабочих модулей на боковых крышках электродвигателя приводит к расположению отверстий под нагнетательные клапана и входов рабочей среды в различных точках компрессорной установки, что усложняет организацию расположения коммуникационных трубопроводов.
Во-вторых, увеличение производительности за счет увеличения числа рабочих модулей при сохранении их радиальных размеров вызывает не эффективное увеличение осевого размера.
Известен компрессор по патенту США на изобретение № 5393208 (кл. МПК F01C 1/02, дата приоритета 31.05.1994, дата публикации 28.02.1995) [2].
Этот компрессор содержит неподвижный корпус с внутренней эпитрохоидной поверхностью и помещенный в корпусе с возможностью планетарного движения, двугранный ротор, установленный на эксцентрике рабочего вала. Эксцентрик представлен двумя шейками (частями), пространство между которыми свободно. Синхронизирующая передача не зубчатая, представлена двумя направляющими пальцами, по которым скользят пазы, расположенные в торце ротора.
Недостатками данной конструкции компрессора является то, что компрессор имеет синхронизирующую передачу, состоящую из большего количества деталей, требующих повышенной точности их изготовления, кроме того, сборка синхронизирующей передачи повышенной точности изготовления требует использования специальных приспособлений, что увеличивает трудоемкость сборки. Используемый тип синхронизирующей передачи ограничивает работу компрессора на больших частотах вращения и, следовательно, снижает его производительность.
Известен роторно-поршневой компрессор РПК-160 (с. 69 в книге: «Трохоидные роторные компрессоры», автор Сухомлинов P.M. издательское объединение «Вища школа», 1975, 152 с.) [3], конструкция которого наиболее близка к конструкции заявляемого компактного трохоидного компрессора, и поэтому она принята за прототип.
Рабочие поверхности данного роторно-поршневого компрессора выполнены по однодуговой эпитрохоиде (корпус) и двухвершинной внутренней огибающей (ротор). Ротор совершает планетарное движение: вращается вокруг собственной оси, совпадающей с осью эксцентрика приводного (эксцентрикового) вала, который в свою очередь вращается вокруг своей оси.
Неподвижный корпус с внутренней эпитрохоидной поверхностью вместе с боковыми крышками и вращающийся ротор образуют две камеры переменного объема. Поступающий через впускное отверстие воздух сжимается в камерах и вытесняется через нагнетательный клапан.
Синхронизация вращения ротора и эксцентрикового вала осуществляется зубчатой передачей внутреннего зацепления. Большая шестерня внутреннего зацепления является деталью ротора, а малая жестко соединена с корпусом через неподвижную боковую крышку.
На эксцентриковом валу, за пределами корпуса с крышками, располагаются противовесы.
Герметизация рабочих камер компрессора обеспечивается системой газовых уплотнений, включающей радиальные планки, расположенные в вершинах ротора, торцевые дуговые планки и расположенные у вершин цилиндрические сухари.
Недостатками данной конструкции компрессора являются:
h
h
1) производительность компрессора ограничена шириною ротора (длиною ротора). Ширина ротора выбиралась из отношения k=H/e≤6 (см. коэффициент ширины ротора k таблица 5 с. 72; с. 99-100 и пункт «в» с. 105 [3]). Здесь: е - эксцентриситет кинематической схемы компрессора; Н - ширина (длина) ротора, соответствующая высоте корпуса, то есть высота корпуса Н≤6⋅е;
2) большее влияние радиальных размеров ротора компрессора (ширины и высоты) на материалоемкость, чем осевых размеров (с. 99 [3]);
3) большая материалоемкость компрессора в результате использования сплошного эксцентрика, расположенного на приводном вале;
4) распределение нагрузки от газовых сил и сил инерции на эксцентрик менее благоприятное, что снижает жесткость вала, поскольку вызывает больший прогиб;
5) увеличение производительности компрессора за счет изменения его радиальных размеров (высоты и ширины) сопровождается ростом скорости и ускорения вершин ротора, что приводит к увеличению скоростей износа всех уплотнений и контактирующих с ними поверхностей крышек и корпуса. Все износы уменьшают долговечность компрессора.
Задачей заявляемого технического решения является оптимизация конструкции компрессора, позволяющая уменьшить габаритные размеры, массу, увеличить производительность компрессора, ресурс его работы и уменьшить себестоимость изготовления.
Решение поставленной задачи заключается в том, что в известном роторно-поршневом компрессоре, имеющем неподвижный корпус с внутренней эпитрохоидной поверхностью, закрытой боковыми крышками, ротором, приводным валом с эксцентриком и расположенными на валу за пределами корпуса противовесами, впускным отверстием, нагнетательным клапаном, зубчатой передачей внутреннего зацепления, причем большая шестерня внутреннего зацепления является деталью ротора, а малая жестко соединена с корпусом через неподвижную боковую крышку, системой газовых уплотнений, включающей радиальные планки, расположенные в вершинах ротора, торцевые дуговые планки и расположенные на торцах ротора вблизи вершин цилиндрические сухари.
Согласно заявляемому техническому решению эксцентрик приводного вала представлен двумя частями, а длину ротора определяют по формуле:
где Н - длина (ширина) ротора;
е - эксцентриситет, расстояние между осью эксцентриков и осью приводного вала;
k - а/е параметр формы;
а - величина производящего радиуса;
z - передаточное отношение кинематической схемы компрессора, например, с однодуговой эпитрохоидой, равное 2 (с. 43, [3]).
Конструкция заявляемого компактного трохоидного компрессора представлена на фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 показано продольное сечение заявляемого устройства.
На фиг. 2 - поперечное сечение А-А заявляемого устройства с развернутым ротором на угол (Ψ).
Заявляемый компактный трохоидный компрессор (фиг. 1) имеет корпус (1) с торцевыми крышками (2 и 3), в которых размещен приводной вал (4), содержащий две эксцентриковые шейки (5 и 6). На шейках эксцентрика установлен ротор (7), ширина (Н) которого равна высоте корпуса. Синхронизирующая передача, предназначенная для согласования вращения ротора (7) и приводного вала (4), состоит из подвижной шестерни внутреннего зацепления (8), размещенной на роторе (7), и неподвижной шестерни (9), размещенной на оси приводного вала (4) и закрепленной на торцевой крышке (3). На приводном валу (4) закреплены два противовеса (10 и 11). L - осевой размер заявляемого компактного трохоидного компрессора.
э
AB
BA
На фиг. 2 изображено поперечное сечение А-А заявляемого устройства с развернутым ротором (7) на угол (Ψ) относительно большей оси эпитрохоидной поверхности (X) с переменным радиусом (R(x, y)), с вершинами ротора (А) и (В) и шейки (6) приводного вала (4). На фигуре показаны корпус (1), отверстия для нагнетания сжатого газа (12) и его всасывания (13), Гр - параметр, характеризующий внешний радиальный размер заявляемого компрессора, V и V - параметры, характеризующие объемы рабочих полостей заявляемого устройства, пространства которых ограничены гранями ротора (7) АВ и ВА и однодуговой эпитрохоидной поверхностью контактирующей с ротором (7) в его вершинах (А) и (В). Геометрические параметры эпитрохоидной поверхности корпуса (1): е - эксцентриситет; а - производящий радиус; Н - ширина ротора (7) (длина образующей эпитрохоидной поверхности корпуса (1).
Заявляемый компактный трохоидный компрессор работает следующим образом.
AB
BA
BA
AB
Ротор (7) своими гранями и эпитрохоида формируют две замкнутые полости с переменными, по углам вращения приводного вала (4) и ротора (7), объемами V и V, в которых размещаются порции сжимаемого и всасываемого рабочего тела. При увеличении объема одной полости V происходит расширение оставшейся рабочей среды, и всасывание ее новой порции в корпус через отверстие для всасывания (13). В этот же промежуток времени в другой полости V, расположенной с противоположной стороны ротора (7), происходит сжатие рабочего тела и нагнетание его в сетевую магистраль через отверстие для нагнетания (12).
Нагнетание и всасывание происходят одновременно, но в разных местах корпуса. За один оборот приводного вала (4) ротор (7) поворачивается на 180° благодаря синхронизирующей передачи, состоящей из шестерни внутреннего зацепления (8) и неподвижной шестерни (9). При этом происходит четыре рабочих процесса. На одной грани ротора (7) - расширение и всасывание. На противоположной грани ротора (7) - сжатие и нагнетание. Вращение приводного вала (4) с размещенным на его эксцентриковых шейках (5 и 6) вращающегося ротора (7) сопровождается появлением газовых сил в результате сжимания и расширения рабочего тела, а также центробежной силы от вращения эксцентрично расположенных масс шеек эксцентриков (5 и 6) и ротора (7). Для компенсации действия сил инерции вращающихся частей устанавливают противовесы (10 и 11).
AB
BA
С целью уменьшения габарита Гр и массы компрессора без изменения объемов его рабочих камер V и V, а также для реализации более благоприятной схемы нагрузок на приводной вал (4) от действия газовых и центробежных сил, длину Н ротора (7) (высоту корпуса) удлиняют до необходимой величины, которая позволяет использовать не сплошной эксцентрик, а состоящий из двух раздвинутых шеек (5) и (6), что дополнительно снижает массу компрессора.
Для этого увеличенную высоту эпитрохоидной поверхности Н корпуса (1) и соответственно длину ротора (7) в осевом направлении выбирают не из условия Н≤6⋅е, а из условий, учитывающих возможности обработки протяженных внутренних поверхностей методом внутреннего врезного электроабразивного шлифования (см. авторское свидетельство СССР № 848236, кл. МПК В23Р 1/10, дата приоритета 06.09.1978, дата публикации 23.07.1981) [4], который устраняет технологические ограничения для использования корпуса большой высоты (протяженности) (см. с. 100, первый абзац, [3]).
Согласно источнику [4] точность обработки внутренней поверхности отверстия определяется отжимом оси шлифовального круга (инструмента). Отжим инструмента при использовании способа электроабразивного внутреннего шлифования составляет 0,02 мм при отношении высоты обрабатываемого отверстия к его диаметру, равном H/D=8,57…10.
При шлифования внутренней поверхности без подвода технологического тока в зону обработки отношение H/D значительно меньше в силу больших усилий шлифования, особенно радиальной составляющей. Поэтому использование традиционных способов шлифования внутренних поверхностей ограничивает высоту обрабатываемых отверстий, что является технологическим ограничением для использования трохоидных машин с ротором увеличенной длины.
Для заявляемого компактного трохоидного компрессора указанная величина отжима инструмента соответствует допуску формы эпитрохоидной поверхности (Т) (п. 18.7, ГОСТ 53442-2009) [5], то есть допуску Т=0,02 мм, который обеспечивает работоспособность компрессора. Такой допуск формы эпитрохоидной поверхности (Т=0,02 мм) применялся при изготовлении корпусов роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания ВАЗ-415. На практике с целью уменьшения износа радиальных уплотнений и корпуса, контактирующего с ними, величину указанного допуска желательно уменьшить до величины 0,010…0,005 мм. Учитывая существующую зависимость («Краткий физико-технический справочник» под общей редакцией К.П. Яковлева, т. 2, с. 209, п. 2) [6], величина прогиба (отжима) оси шлифовального круга (Т) подчиняется следующему уравнению:
где g - интенсивность поперечной нагрузки (радиальная составляющая) силы шлифования;
Н - высота (длина) обрабатываемого отверстия;
Е - модуль Юнга обрабатываемого материала;
4
J=π⋅d/64 - момент инерции круглого сечения вала шлифовального круга;
d - диаметр вала шлифовального круга.
Примем диаметр шлифовального круга приблизительно равный диаметру обрабатываемого отверстия. Такое допущение возможно при обработке малых отверстий. При обработке отверстий больших диаметров точность их обработки будет определяться не отношением H/D, а отношением H/d то есть отношением высоты отверстия к диаметру вала шлифовального круга d. Для не круглых отверстий с большим периметром обрабатываемой поверхности (например эпитрохоиды, гипотрохоиды, эллипс и др.) диаметр вала шлифовального круга определяется как часть наименьшего радиуса кривизны эпитрохоиды (с. 54. Юнусов Ф.С. «Формообразование сложнопрофильных поверхностей шлифованием» - М.: Машиностроение, 1987. - 248 с) [7]. При этом отжим инструмента будет ограничиваться не диаметром обрабатываемого отверстия, а диаметром шлифовального круга и высотой обрабатываемого отверстия. То есть отношением H/d.
Подставив в уравнение формулу, по которой вычисляется момент инерции J, и введя обозначения отношения H/d=R, остальные величины буквой А, получим формулу для расчета отношения H/d при различных величинах отжима инструмента
4
T=A⋅R,
где A=(8/π)⋅g/Е - почти постоянная величина,
учитывающая механические характеристики обрабатываемого материала и величину интенсивности поперечной нагрузки (радиальную составляющую силы шлифования). Здесь g и Е связаны законом Гука. То есть уменьшение (увеличение) Е сопровождается пропорциональным уменьшением (увеличением) g.
При условии, что Т=0,01 мм, получим H/d=8,4.
При условии, что Т=0,005 мм. получим H/d=7,07.
Преследуя цель получения минимально-возможного отжима оси шлифовального круга при обработке эпитрохоиды, примем отношение H/d=7. То есть высота корпуса (длина ротора) Н должна быть не более 7⋅d,
где d - наименьший допустимый диаметр шлифовального круга для обработки эпитрохоиды.
э
min
Для обработки отверстий с переменным радиусом кривизны (R) необходимо выполнять условия отсутствие подрезания шлифовальным кругом обрабатываемой поверхности, примыкающей к зоне обработки.
Согласно источнику ([7], с. 54) диаметр вала шлифовального круга определяется как
э
min
где R - наименьший радиус кривизны эпитрохоиды.
Для эпитрохоиды
э
min
2
2
R=e⋅(k-z)/(k-z) [3],
где е - эксцентриситет, расстояние между осью приводного вала и осью эксцентриков;
k=a/e - параметр формы;
а - величина производящего радиуса;
z - передаточное отношение кинематической схемы компрессора (с. 43 [3]).
Таким образом, высота корпуса (длина ротора) для заявляемого компактного трохоидного компрессора должна быть не больше
Был проведен сравнительных анализ характеристикизвестных отечественных и зарубежных тормозных компрессоров грузовых автомобилей. Сравнительные характеристики приведены в таблице.
h
c
h
Из таблицы видно, что при близких значениях объемов рабочих камер (V) заявляемый компактный трохоидный компрессор имеет меньшее отношение строительного объема (V) к объему рабочей камеры (V). Этот параметр показывает насколько эффективно используется пространство, занимаемое компрессором.
Кроме того, заявляемый компактный трохоидный компрессор имеет значительно меньшее число деталей и, следовательно, меньшую массу и меньшие трудоемкость изготовления и сборки.
Заявляемое устройство является обратимым и может быть использовано в качестве экспандера (детандера) для преобразования энергии сжатого газа в механическую работу при его расширении. Возможно применение его также в качестве вакуумного насоса и двигателя внутреннего сгорания.
Источники информации.
1. Авторское свидетельство СССР № 1740781 «Компрессорная установка».
2. Патент США № 5393208 «Двух кулачковая роторная машина».
3. «Трохоидные роторные компрессоры», авт. Сухомлинов P.M. Издательское объединение «Вища школа», 1952, 152 с.
4. Авторское свидетельство СССР № 848236 «Способ электроабразивного внутреннего шлифования».
5. ГОСТ 53442-2009 «Основные нормы взаимозаменяемости. Характеристики изделий геометрические. Допуски формы, ориентации, месторасположения и биения».
6. «Краткий физико-технический справочник», под общей редакцией авт. К.П. Яковлева, т. 2.
7. «Формообразование сложнопрофильных поверхностей шлифованием», авт.Юнусов Ф.С.. - М.: Машиностроение, 1987. - 248 с.