КОМПРЕССОР
COMPRESSOR

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении компрессорного оборудования, предназначенного для нагнетания, перекачивания и вакуумирования газа, в частности в пневматических производственных и транспортных газовых системах.
Из уровня техники хорошо известны и широко применяются ротационные объемные компрессоры с одним или двумя, иногда тремя роторами, вращающимися вокруг параллельных осей. К их числу относятся пластинчатые роторные компрессоры, с катящимся ротором, водокольцевые, двухроторные и винтовые (см. Хлумский В. «Ротационные компрессоры и вакуум-насосы», Москва, «Машиностроение», 1971 г., стр. 6).
Если требуемое давление нагнетания не очень велико, например до двух атмосфер, то, учитывая относительную простоту изготовления, компактность и высокую производительность, особого внимания заслуживают так называемые двухроторные компрессоры (см. Хлумский В. «Ротационные компрессоры и вакуум-насосы», Москва, «Машиностроение», 1971 г., стр. 6, 7, 64, 69, 81, 82).
Из уровня техники известен компрессор, который является наиболее близким аналогом заявленного устройства, содержащий корпус, в котором выполнены входное и выходное отверстия, и два рабочих элемента, расположенных в корпусе, выполненных с возможностью синхронного вращения, обеспечивающего периодическое сжатие газа, первый рабочий элемент представляет собой сплошной цилиндр, на поверхности которого выполнено по меньшей мере два продольных паза, а второй рабочий элемент представляет собой полый цилиндр с симметричными продольными прорезями, образующими перемычки в количестве, равном количеству пазов первого рабочего элемента, при этом второй рабочий элемент расположен на неподвижном валу, в котором выполнен продольный вырез, конгруэнтный образующей первого рабочего элемента и обеспечивающий постоянное сопряжение первого рабочего элемента и неподвижного вала, а пазы первого рабочего элемента имеют форму, позволяющую обеспечить прием, сжатие и перенос газа при их взаимодействии с перемычками второго рабочего элемента (RU 2458251 C2, 10.08.2012).
Технической задачей заявленного изобретения является устранение в значительной степени недостатков, присущих вышеуказанным газодувкам, а именно: существенные внутренние перетечки газа и связанный с этим высокий нагрев конструкции; значительные пульсации газа и постоянное воздействие давления нагнетания на роторы и подшипники; отсутствие возможности использования в схеме сжатия и нагнетания более двух роторов посредством создания принципиально новой, компактной и эффективной конструкции компрессора (газодувки).
Техническим результатом изобретения является частичная разгрузка подшипников вращающихся роторов, значительное уменьшение количества газа, переносимого так называемым «мертвым» пространством в зону всасывания; снижение тепловой нагрузки термодинамического характера и уменьшение в результате тепловых зазоров; кроме того за счет использования нескольких параллельно действующих роторных пар в одном корпусе снижаются вес и габариты компрессора в расчете на единицу производительности.
Технический результат достигается за счет создания компрессора, содержащего корпус с впускным и выпускным отверстиями, в котором размещены параллельно друг другу, с образованием компримирующего газового тракта, с возможностью синхронного вращения, обеспечивающего периодическое сжатие газа один основной и один распределительный роторы, основной ротор выполнен в виде полого цилиндра с продольными прорезями, разделенными перемычками, и размещен на неподвижной оси, распределительный ротор выполнен в виде сплошного цилиндра с продольными пазами, а также тем, что компрессор снабжен по меньшей мере одним дополнительным основным ротором с образованием по меньшей мере одного дополнительного компримирующего газового тракта, при этом в оси каждого основного ротора выполнены два газовых канала, соединяющие мертвое пространство с зоной переноса всасываемого воздуха и расположенные на входе и выходе из указанного мертвого пространства, а дополнительный компримирующий газовый тракт имеет впускное и выпускное отверстия, выполненные в корпусе и соединенные таким образом, что образуют по меньшей мере одну ступень сжатия, при этом количество перемычек выбрано таким образом, чтобы между зоной всасывания и зоной сжатия находилась по меньшей мере одна зона переноса, ограниченная двумя перемычками, а количество основных роторов по меньшей мере на один больше количества распределительных роторов.
В частном варианте исполнения в корпусе размещены три основных ротора, выполненных с возможностью взаимодействия с одним распределительным ротором, что обуславливает образование двух трактов, компримирующих газ.
В частном варианте исполнения корпус компрессора разделен на по меньшей мере две неравные секции стенками, перпендикулярными осям роторов, одновременно на распределительном роторе выполнены проточки, а основной ротор имеет кольцевые участки, разделяющие ротор на соответствующие части, а на неподвижных осях выполнено соответствующие количество продольных вырезов, в каждой секции корпуса выполнены впускное и выпускное отверстия, при этом выходное отверстие каждой секции последовательно соединено каналом с входным отверстием последующей таким образом, что образуются по меньшей мере две ступени сжатия.
В частном варианте исполнения неподвижная ось выполнена полой, с возможностью присоединение ее концов к внешней системе жидкостного охлаждения.
В частном варианте исполнения пазы распределительного ротора и перемычки основного ротора выполнены цилиндрической формы.
Ниже приводятся графические материалы, поясняющие варианты осуществления изобретения.
На фиг. 1 показано поперечное сечение трехроторного компрессора удвоенной производительности с указанием позиций.
На фиг. 2 показано поперечное сечение четырехроторного компрессора утроенной производительности.
Компрессор, как показано на фиг. 1, содержит корпус 1 с внутренней расточкой трех параллельных сквозных цилиндрических колодцев, в которых размещены два одинаково выполненных основных ротора 2 и один, расположенный между ними в одной плоскости, распределительный ротор 3, причем оба основных ротора 2 расположены на двух полых неподвижных осях 4, опираются на эти оси и могут вращаться вокруг них, т.к торцевые крышки роторов оснащены подшипниками качения; а на наружных поверхностях неподвижных осей 4 выполнено по одному продольному вырезу 5 цилиндрической формы, в зоне которых неподвижные оси 4 сопрягаются с распределительным ротором 3, при этом в зонах вырезов в зазорах между стенками пазов ротора 3 и перемычками основного ротора 2 образуются полости « мертвого» пространства 6, которые соединены с зонами переноса всасываемого воздуха двумя каналами 8; в дополнении к указанному, в корпусе выполнены два впускных отверстия 9 и два выпускных отверстия 10; со стороны торцов корпус ограничен двумя плитами с гнездами под подшипники, на которые опирается распределительный вал 3, к этим же плитам с обеих сторон крепятся крышки с узлами для фиксации двух неподвижных осей; кроме того, к одной из торцевых плит крепится силовой кожух, внутри которого находится зубчатый перебор из трех шестерен, размещенных на концах роторов; при этом же кожухе смонтирован силовой привод указанной зубчатой передачи, а также герметичные выводы концов полых неподвижных осей для подключения системы жидкостного охлаждения.
Ниже приводится один из примеров (фиг. 1) осуществления изобретения.
Поступление (всасывание) сжимаемого газа происходит в результате синхронизированного вращения роторов 2 и 3, которые образуют две роторные пары, компримирующие газ параллельно. Поступающий через впускные отверстия 9 газ заполняет пространство между перемычками основного ротора 3. Без изменения давления эти полости переносят всасываемый газ в зону в зону сжатия и нагнетания. Процесс сжатия и нагнетания в представленной конструкции имеет свои особенности, а именно: порция газа, переносимая пазом распределительного ротора 3, в зоне выпускного отверстия 10 подвергается внешнему сжатия за счет энергии ранее сжатого газа, находящегося во внешней пневмосети, и нагнетаются в смеси сжатым газом, перенесенным в зону нагнетания основным ротором 2. Сжатие и нагнетание порции газа, заполняющей полость между перемычками основного ротора 2, происходит в несколько этапов - вначале, пока распределительный ротор 3 изолирует выпускное отверстие 10 от зоны сжатия, в последней происходит внутреннее сжатие газа за счет сокращения (уменьшения) объема камеры сжатия, после чего при синхронизированном вращении роторов 2 и 3 паз распределительного ротора 3 соединяет зону сжатия с выпускным отверстием 10 и начинается процесс нагнетания сжатого газа во внешнюю пневмосеть. Процесс нагнетания прекращается, как только распределительный ротор 3 перекрывает выпускное отверстие 10. По окончании нагнетания в пространстве между стенками паза и перемычкой ротора 2 остается порция газа, сжатого до давления нагнетания. Расположение выпускного отверстия 10 обуславливает возможность полезного использования энергии этой порции газа - при дальнейшем вращении (проворачивании) роторов 2 и 3 перемычка ротора 2 вдвигается в паз ротора 3, выпускное отверстие 10 остается перекрытым ротором 3, а полость паза соединяется со следующим промежутком между двумя перемычками ротора 2 и переносимая этим промежутком порция газа подвергается предварительному внешнему сжатию в результате смешивания с порцией ранее сжатого, но не поступившего во внешнюю пневмосеть газа, в результате в указанный момент давление газа устанавливается значительно ниже давления нагнетания, но выше атмосферного. При давлении, близком к указанному, происходит дальнейшее заполнение пространства между пазом, перемычкой ротора 2 и неподвижной осью 4, которое по своей сути является «мертвым» пространством. Для стравливания (понижения) давления из мертвого пространства с целью уменьшения количества газа, переносимого этим пространством в зону всасывания, используются каналы 7 и 8, отводящие газ из мертвого пространства в зону переноса всасываемого газа.
Описанный выше процесс всасывания, переноса, сжатия и нагнетания газа протекает как удвоенный по причине наличия двух роторных пар, причем за каждый оборот основного ротора 2 он повторяется столько раз, сколько перемычек содержит ротор 2.
В рассмотренном варианте за время одного оборота основных роторов 2 в пневмосеть нагнетается восемь порций сжатого газа через равные промежутки времени, так как основные роторы 2 в своем вращении сдвинуты по фазе, что обеспечивает низкий уровень - практически отсутствие пульсации и равномерное распределение по углу поворота потребного крутящего момента. Кроме того, расположение основных роторов 2 и наличие полостей 11 в неподвижных осях 4 обеспечивают хороший теплоотвод через развитую наружную оребренную поверхность корпуса и жидкостную систему охлаждения.
Согласно варианту изобретения, показанному на фиг. 2, при сохранении одного распределительного ротора 3 может быть увеличено число основных роторов 2, что при незначительном увеличении габаритов конструкции позволяет повысить производительность в полтора, два и более раз.
В данном случае использованы три основных ротора 2, взаимодействующих с одним распределительным и сдвинутым по углу на 120° процесс сжатия и нагнетания газа по своей сути остается тем же, что и описанный выше. Отличие состоит в том, что сдвиг по фазе при вращении основных роторов 2 отсутствует, в связи с чем все три роторные пары одномоментно выталкивают во внешнюю пневмосеть три одинаковые порции сжатого газа. При таком одноступенчатом режиме работы компрессора разгружаются подшипники распределительного вала 3, так как возникающие при сжатии газа силы компенсируют воздействие друг друга.
Процесс сжатия может быть выполнен в несколько ступеней, например двухступенчатое сжатие, когда газ, сжатый двумя роторными парами, направляется на вход третьей пары, которая используется как дожимная ступень.
Компрессор по любому из указанных вариантов может быть выполнен многоступенчатым путем разделения по длине корпуса и неподвижной оси на две и более части стенками перпендикулярными осям роторов, а сами распределительные роторы должны быть разделены по длине на соответствующие части проточками, основной ротор - дополнительными кольцевыми участками.
Компрессор может также работать в режиме вакуум-насоса, т.е выполнен с возможностью вакуумирования газа без изменения принципа работы и существенных конструктивных изменений.