СИСТЕМА ГЕРМЕТИЗАЦИИ ПОРШНЯ РОТОРНО-ПОРШНЕВЫХ МАШИН (ВАРИАНТЫ)
SYSTEM OF SEALING ROTARY-PISTON MACHINE PISTON (VERSIONS)

Предметом изобретения является принцип и система для герметизации ротора относительно окружающей стенки корпуса роторно-компрессорных и роторно-детандерных машин.
Для роторно-поршневых машин известны различные конструктивные решения обеспечения герметичности поршня по отношению к стенке корпуса при выполнении движения. Так называемые шиберные машины достигают почти хорошей герметичности благодаря высокой размерной точности деталей - ротора, корпуса и пластин, которые окружают рабочее пространство и образуют необходимые для функционирования минимальные зазоры между деталями. В определенных случаях применения герметичность может быть еще улучшена введением в машину пригодной текучей среды, образующей между деталями тонкую пленку в качестве уплотнительного тела. При выполнении такими машинами задач сжатия следует учитывать остающиеся утечки через зазоры. Они действуют как снижение объемной подачи, которое может быть компенсировано повышением мощности привода компрессора. В детандерах потери через зазоры могут приводить к потере функционирования, особенно тогда, когда преимущественно через зазоры происходит вредное расширение, а не создается сила полезного вращения ротора.
Напротив, расширяющиеся среды в диапазоне высоких температур, как это происходит в тепловых энергетических машинах, могут вести к разрушению машины: вытекающие в этих местах горячие газы вызывают разрушающий износ материала, дополнительно увеличивая зазоры.
В основополагающих исследованиях Ф.Ванкеля было установлено, что, в частности, роторно-поршневые машины внутреннего сгорания, которые используют более трех подвижных относительно друг друга деталей (ротор, расположенные на нем подвижные детали поршня и корпус), не могут функционировать, так как уплотнительные элементы не могут располагаться таким образом, чтобы при выполнении движения машины была возможна замкнутая пространственная система линий уплотнения одинаковой геометрической формы. Наглядно этот дефект проявляется у шиберных машин. Хотя благодаря пружинящим уплотнительным пластинам вдоль кромок шиберов может быть достигнута радиальная и осевая герметичность по отношению к стенке корпуса, но линии уплотнения прерываются в зоне ступицы ротора остающимися разрывами и это ведет к негерметичности машины. Как вывод из этого комплекса экспериментов в качестве единственной до сих пор функционирующей роторно-поршневой машины с внутренним сгоранием Ф. Ванкелем был разработан тип двигателя, который имел только две движущиеся относительно друг друга ограничивающие рабочее пространство детали: корпус с рабочей поверхностью в виде трохоиды и выведенный из трохоиды ротор как внутренняя оболочка рабочей поверхности корпуса. На этом роторе расположены уплотнительные пластины, которые выполняют условие неизменной геометрической формы. Это тип двигателя известен как двигатель Ванкеля.
Несмотря на достоинства и успешное совершенствование этого типа двигателя некоторые технические целевые установки не были достигнуты. Это относится к геометрически обусловленному изменению объема с используемой трохоидой, который не допускает проведения обычного дизельного процесса. Это относится также, менее радикально, к смазыванию уплотнительных пластин и к связанному с ним отводу тепла от ротора к стенке корпуса.
Перед изобретением поставлена задача - создать для роторно-поршневых машин систему герметизации, которая использует принцип одинаковой геометрической формы линий уплотнения по Ф.Ванкелю таким обра.зом, что могут быть реализованы и другие типы роторно-поршневых машин для детандерных и сжимающих процессов в области высоких температур, а также с улучшенными свойствами в отношении изменения объема, смазывания и теплоотвода.
Предлагаемое решение заключается в том, что в системе герметизации роторно-поршневых машин, в которых ротор состоит из двух или более параллельных роторных дисков, которые своими наружными поверхностями усилиями пружин или среды прижимаются к торцам корпуса, согласно изобретению в радиально ориентированных направляющих пазах роторных дисков расположены с возможностью перемещения шиберы, содержащие части шибера, которые образованы фасонными ламелями, причем части шибера заключены в кассеты шибера, в которых они установлены с возможностью перемещения друг относительно друга таким образом, что они прилегают к торцевым сторонам корпуса как уплотнения и совместно с роторными дисками образуют сплошные уплотнительные поверхности против проникновения среды.
Для системы герметизации роторно-поршневых машин характерно, кроме того, что части шибера имеют внутренние наклонные кромки, и в образованном этими частями шибера внутреннем пространстве расположен нажимной клин таким образом, что при его взаимодействии с внутренними наклонными кромками под действием пружинного усилия обеспечивается отжатие фасонных ламелей из их взаимно перекрывающегося положения и одновременное прижатие пакета фасонных ламелей в радиальном направлении к рабочей поверхности корпуса.
В заявленной системе герметизации между нажимным клином и дном кассеты шибера расположена пружина сжатия.
Роторные диски на обращенных к стенке корпуса торцах в области наружной кромки имеют плоские углубления, с помощью которых давление среды производит силы, которые противодействуют силам среды и пружин, действующим в стыках между роторными дисками, и тем самым снижают трение на обращенных к стенке корпуса торцах до необходимого для герметизации значения.
Согласно другому варианту выполнения изобретения в системе герметизации роторно-поршневых машин, в которых ротор состоит из двух или более параллельных роторных дисков, которые своими наружными поверхностями усилиями пружин или среды прижимаются к торцам корпуса, роторные диски на периферической наружной стороне имеют жесткие уплотнительные пластины, которые проходят по всей ширине ротора, причем в материале вблизи уплотнительных пластин выполнены периферические углубления для обеспечения упругости в окружном направлении за счет меньшей в сравнении с окружающим материалом ротора упругой жесткости конструкции, так что за счет силы прижатия ротора к стенке корпуса обеспечивается упругий изгиб уплотнительной пластины в противоположном движению ротора направлении при одновременном создании уплотнения.
Изобретение описано на нижеследующих примерах. Чертежи показывают:
фиг.1 - принцип адаптирующейся линии уплотнения в шиберном роторе;
фиг.2а - разнесенное изображение шиберного ротора согласно изобретению;
фиг.2b - разнесенное изображение кассеты лопасти согласно изобретению;
фиг.2c - кассета лопасти согласно изобретению;
фиг.3a - составной ротор Ванкеля в изометрии;
фиг.3b - внутреннее уплотнительное кольцо;
фиг.3c, 3d - группа уплотнений;
фиг.4a, 4b, 4c, 4d - разнесенные изображения составного ротора Ванкеля;
фиг.5а - разнесенное изображение составного ротора Ванкеля с закрепленными уплотнительными пластинами согласно изобретению;
5b - разнесенное изображение составного ротора Ванкеля с закрепленными уплотнительными пластинами.
Принцип герметизации описан с использованием фиг.1. Ротор машины разделен на два роторных диска 1 и 2, которые своими наружными поверхностями 6, 8 усилиями пружин или среды прижимаются к торцам корпуса и таким образом герметизируют ротор по отношению к корпусу. Стык 11 между роторными дисками закрыт по направлению внутрь к валу ротора окружным защитным кольцом 10. С кольцом 10 соединяются направляющие пазы 5, в которых размещены части 3, 4, образующие шибер шиберного ротора. Шиберы 3, 4 образованы фасонными ламелями, которые могут адаптироваться к геометрическим изменениям.
Осуществление этого принципа герметизации описано в связи с выполнением по фиг.2a, 2b, 2c; 3a, 3b, 3c, 3d и 4a, 4b, 4c.
Ротор роторно-поршневого двигателя состоит из роторных дисков 12 и 13, которые отжимаются друг от друга пружинами 14 и тем самым герметично прилегают к торцам корпуса. Пружины находятся в (глухих) отверстиях 15 обоих роторных дисков. Между роторными дисками находится стык 19. Роторный диск 12 ступицей 17 заходит в приемное отверстие 16 роторного диска 13 и закрывает стык 19 соответственно защитному кольцу 10 на фиг.1. Пазы 18 в роторных дисках 12, 13 соответствуют направляющим пазам 5 на фиг.1.
В пазах 18 ротора находятся кассеты 20 шиберов, которые благодаря усилиям своих внутренних пружин согласуются в радиальном направлении с рабочей поверхностью корпуса, в осевом направлении - с торцами корпуса и одновременно заходят в углы между обеими рабочими поверхностями корпуса и герметизируют их.
В кассете шиберов находятся два одинаковых полушибера 21 и 22, которые прилегают друг к другу таким образом, что могут перемещаться относительно друг друга в противоположных направлениях и тем самым прилегают к торцам корпуса как уплотнения. В этом положении они образуют с роторными дисками 12 и 13 сплошную уплотнительную поверхность против проникновения среды. Усилие прижатия полушиберов 21 и 22 для этого прилегания создается внутренней наклонной кромкой 23 и действующим на нее через пружину сжатия 25 нажимным клином 24. Нажимной клин 24 находится в образованном полушиберами 21 и 22 внутреннем объеме. Пружина сжатия 25 опирается на дно оболочки 26 кассеты 27. Радиальное герметизирующее движение полушиберов 21 и 22 при вращении ротора дополнительно усиливается пружинами 25.
Фиг.2c показывает вставленные друг в друга роторные диски 12 и 13 с кассетой 20 шиберов в пазу 18 ротора.
Следующие формы выполнения принципа герметизации ротора представлены на фиг.3a, 3b, 3c и 3d для ротора двигателя Ванкеля.
Ротор для двигателя Ванкеля состоит из двух одинаковых роторных дисков 28 и 29. В роторных дисках имеются три радиальных паза 30, которые проходят от центрального отверстия 34 до трех вершин ротора. Радиальные пазы 30 в вершинах ротора переходят в осевые пазы 31 ротора. Пазы 30 и 31 служат для размещения упругих уплотнительных элементов. В центральном отверстии 34 располагается кольцо 35.
Кольцо 35 вставляется в отверстие 34 так, что находящиеся на нем прямоугольные цапфы 36 сидят в пазах 30 роторных дисков 28 и 29. Кольцо 35 служит для герметизации стыка между роторными дисками 28 и 29 по отношению к оси ротора. Цапфы 36 точно так же герметизируют стык и одновременно являются опорой для нажимного клина 39 кассеты уплотнений.
Одинаковые по конструкции фасонные ламели 37 прилегают друг к другу так, что своими боковыми уплотнительными пластинами направлены в противоположные стороны. Таким образом, образуется общая уплотнительная пластина с перекрывающимся стыком. В образовавшейся между фасонными ламелями полости расположен нажимной клин 39, который пружиной сжатия 40 прижимается к наклонным кромкам фасонных ламелей 37 и перемещает их радиально по отношению к рабочей поверхности корпуса и одновременно раздвигает их так, что их углы при выполнении ротором движения прижимаются к угловым линиям между рабочей поверхностью корпуса и боковыми сторонами и герметизируют их. Пружины сжатия 40 опираются на цапфы 36. Фасонные ламели 37 перекрывают цапфы 36, так что образовавшийся уплотнительный узел может вставляться в пазы 30 и 31 ротора.
Состоящий из фасонных ламелей 37, нажимного клина 39 и пружины сжатия 40 уплотнительный узел устанавливается на цапфу 36 уплотнительного кольца 35. Уплотнительное кольцо 35 с уплотнительными узлами сидит в пазах 30 и 31 роторных дисков 28 и 29. Эти детали образуют систему герметизации ротора. Благодаря пружинам сжатия 41 роторные диски 28 и 29 прижимаются к торцам ротора. Это усилие пружин необходимо для прилегания роторных дисков во время запуска. В работающей машине функцию прижатия берет на себя давление среды. Для снижения трения на торцах роторные диски имеют углубления 33, которые обеспечивают их разгрузку от давления.
Ротор двигателя Ванкеля состоит из среднего роторного диска 42 и двух боковых роторных дисков - боковых колец 43. Оба кольца 43 проточкой 46 и цапфами 47 заходят в боковые кольцевые пазы 44 и радиальные пазы 45 среднего роторного диска 42 - средней части ротора. В средней части ротора находятся сквозные отверстия 49, в которых сидят пружины сжатия 50, опирающиеся в проточках 46 на боковые кольца 43, и прижимают их к боковым стенкам машины и герметизируют ротор по отношению к окружному потоку. Боковые кольца 43 функцию передачи крутящего момента не выполняют.
Фасонные ламели 51 имеют полную толщину в области наружной стороны 51а. В области перекрывающей кромки 51b они имеют только половинную толщину. Две одинаковые фасонные ламели взаимно перекрываются так, что образуют пакет, который входит в поперечные пазы 48 и радиальные пазы 45 ротора таким образом, что обе наружных стороны 51а ориентированы на боковые поверхности ротора, и цапфы 47 боковых колец заходят в пазы 51е. Цапфы 47 и пазы 51е образуют с перекрытием на боковых поверхностях ротора замкнутое уплотнение.
Две фасонные ламели 51 образуют с крышками 51с объем внутри пакета ламелей, в котором находится нажимной клин 52, который прилегает к наклонному элементу 51d и пружиной сжатия 53 прижимается к нему. Пружина сжатия 53 опирается на цапфу 47, так что усилие пружины действует на фасонные ламели 51 в радиальном и осевом направлениях как герметизирующее. Вместе с усилиями пружин сжатия 50, действующими на боковые кольца 43, образуется пружинящая герметизирующая система, которая уплотняет ротор по отношению к стенке корпуса.
Фиг.4c показывает полностью собранный ротор, состоящий из пакета фасонных ламелей 51 и боковых колец 43.
Ротор роторно-поршневой машины (фиг.5а) состоит из роторных дисков 54 и 55, которые герметизированы относительно центрального вала, поскольку кольцевая проточка 57 согласована с кольцевым пазом 56. Таким же образом заходят друг в друга уплотнительные манжеты 58, жестко соединенные с роторными дисками 54 и 55 и состоящие из того же, что и они, или другого пригодного материала. Для этого уплотнительные манжеты 58 имеют полученные фрезерованием пазы 59, которые делают возможным взаимное вдвигание. В роторных дисках 54 и 55 рядом с манжетами 58 находятся фрезерованные выемки 60 пригодной геометрической формы, которые выполняют функцию снятия напряжений, если на уплотнительные манжеты 58 действуют окружные силы трения и сжатия, требующие противодействия им со стороны манжет 58.
На фиг.5b роторные диски 54 и 55 обращены друг к другу в одном осевом направлении, так что проточка 57 ориентирована на кольцевой паз 56. При введении роторного диска 55 в роторный диск 54 манжеты 58 так взаимодействуют друг с другом с своими полученными фрезерованием пазами 59, что получается динамичный уплотнительный узел, действующий при выполнении движения ротора в радиальном и осевом направлениях.
Герметизация роторных дисков 54 и 55 относительно торцов корпуса обеспечивается усилиями пружин сжатия 62. Углубления 63 на наружных сторонах роторных дисков 54 и 55 ротора способствуют тому, чтобы силы среды, которые действуют в стыках роторных дисков 54 и 55 как силы трения, направленные на торцы ротора, в значительной степени компенсировались силами среды, действующими снаружи.
Перечень ссылочных позиций
1 - роторный диск,
2 - роторный диск,
3 - шибер,
4 - шибер,
5 - направляющий паз для шибера,
6 - плоская поверхность роторного диска против бокового диска машины,
7 - плоская поверхность пластины против бокового диска машины,
8 - плоская поверхность роторного диска против бокового диска машины,
9 - плоская поверхность пластины против бокового диска машины,
10 - защитное кольцо для стыка 11 между роторными дисками,
11 - стык между роторными дисками
12 - роторный диск,
13 - роторный диск,
14 - пружины сжатия между роторными дисками,
15 - отверстия в роторных дисках для размещения пружин сжатия 14;
16 - приемное отверстие для ступицы на роторном диске,
17 - ступица на роторном диске,
18 - паз в роторном диске для приема шибера,
19 - стык между роторными дисками;
20 - кассета шиберов,
21 - полушибер с внутренней наклонной кромкой,
22 - полушибер с внутренней наклонной кромкой,
23 - внутренняя наклонная кромка,
24 - нажимной клин,
25 - пружина сжатия,
26 - оболочка кассеты для приема частей 21, 22 шибера, нажимного клина 24 и пружины 25 сжатия,
27 - кассета;
28 - роторный диск,
29 - роторный диск,
30 - радиальный паз ротора,
31 - осевой паз ротора,
32 - приемное отверстие,
33 - углубление,
34 - центральное отверстие;
35 - уплотнительное кольцо,
36 - цапфа;
37 - фасонная ламель с внутренней наклонной кромкой,
39 - нажимной клин,
40 - пружина сжатия,
41 - пружина сжатия
42 - средняя часть ротора - средний роторный диск,
43 - боковое кольцо ротора,
44 - кольцевые пазы в средней части ротора,
45 - радиальные пазы в средней части ротора,
46 - проточка на боковой поверхности ротора,
47 - цапфа на боковой поверхности ротора,
48 - поперечный паз на средней части ротора,
49 - сквозное отверстие в средней части ротора,
50 - пружина сжатия,
51 - фасонная ламель,
51а - наружная сторона,
51b - перекрывающая кромка,
51c - крышка,
51d - наклонный элемент,
51е - паз,
52 - нажимной клин,
53 - пружина сжатия;
54 - роторный диск с кольцевым пазом,
55 - роторный диск с кольцом,
56 - кольцевой паз,
57 - проточка,
58 - уплотнительная манжета,
59 - полученный фрезерованием паз,
60 - фрезерованная выемка,
62 - пружина сжатия.