КОМПРЕССОР

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована при изготовлении компрессорного оборудования, предназначенного для нагнетания, перекачивания и вакуумирования газа, в частности, в пневматических производственных и транспортных газовых системах.
Из уровня техники известен компрессор, который является наиболее близким аналогом заявленной группы устройств, 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 458251 C2, 10.08.2012).
Наряду с несомненными достоинствами подобным конструкциям компрессоров присущи типичные недостатки, такие как: преимущественно внешнее сжатие, что приводит значительным пульсациям и постоянному воздействию на роторы газа под давлением нагнетания; значительные внутренние перетечки газа через щелевые уплотнения, что способствует значительному нагреву конструкции, снижает ее производительность; наличие «мертвого» пространства в той части конструкции, которая отделяет зону сжатия от зоны всасывания, в сочетании с потерями в зоне всасывания также приводит к снижению производительности и, в итоге, ограничивают величину достижимой степени сжатия компрессора.
Задачей настоящей полезной модели, является устранение в значительной мере указанных выше недостатков посредством создания и использования принципиально новой и более эффективной конструкции компрессора.
Техническим результатом заявленной полезной модели является исключение постоянного воздействия на роторы газа под давлением нагнетания - это воздействие переводится в разряд периодических; значительное увеличение гидравлического сопротивления между зонами сжатия и всасывания, и многократное уменьшение количества газа, заполняющего «мертвое» пространство, и возможность изменения ступеней сжатия, что, в итоге, снижает потери в зоне всасывания и увеличивает достижимую степень повышения давления, КПД и производительности компрессора в целом.
Технический результат полезной модели достигается за счет создания компрессора, содержащего корпус с входным и выходным отверстиями, в котором размещены параллельно друг другу, с образованием компримирующего газового тракта, с возможностью синхронного вращения, обеспечивающего периодическое сжатие газа, по меньшей мере один основной и по меньшей мере два идентичных распределительных ротора, 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. Распределительные роторы размещены таким образом, что образуется по меньшей мере один дополнительный компримирующий газовый тракт и/или по меньшей мере одна промежуточная камера, расположенная между каждой парой ближайших распределительных роторов, и соединенная газовым каналом с полостью, в которой размещен основной ротор, 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 распределительных роторов по меньшей мере на один больше количества основных роторов.
В частном варианте исполнения в корпусе компрессора размещены три распределительных ротора, выполненных с возможностью взаимодействия с одним основным ротором, в корпусе также выполнены два впускных и два выпускных отверстия, что обуславливает образование двух промежуточных камер на пути перетекания газа из зоны сжатия в зону всасывания.
В частном варианте исполнения в корпусе компрессора размещены один основной и три распределительный, образующие две ступени сжатия за счет образования трех компримирующих трактов, соединенных таким образом, чтобы сжатый газ из двух параллельных трактов поступал на вход в третий тракт.
В частном варианте исполнения в корпусе компрессора размещены один основной и два оппозитно расположенных распределительных ротора, с образованием двух параллельных газовых трактов, при прохождении по которым газ подвергается сжатию.
В частном варианте исполнения в корпусе компрессора размещены три распределительных ротора и один основной ротор, причем два распределительных ротора размещены в непосредственной близости друг от друга с одной стороны основного ротора с образованием промежуточной камеры, а третий распределительный ротор расположен с другой стороны основного ротора оппозитно первым двум, что обуславливает образование двух трактов, компримирующих газ, с обеспечением двухступенчатого сжатия посредством соединения выпускного канала первого газового тракта с зоной переноса газа второго тракта.
В частном варианте исполнения в корпусе компрессора размещены один основной ротор и четыре распределительных ротора, взаимодействующих с ними и расположенных оппозитно, что обеспечивает образование двух газовых компримирующих трактов, в состав которых входят промежуточные камеры, с обеспечением отвода части газов из промежуточных камер в зоны переноса для последующего сжатия и подачи сжатого в первом тракте газа в зону переноса второго тракта, чтобы обеспечить производительность в соответствии с объемами всасывания в оба компримирующих тракта посредством соединения впускных, выпускных, входных, выходных отверстий.
В частном варианте исполнения компрессор содержит два основных и три распределительных ротора, размещенные параллельно друг другу, таким образом, что один из распределительных роторов размещен между двумя основными роторами и оси трех указанных роторов лежат в одной плоскости, с образованием двух параллельно действующих роторных пар.
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 входное и выходное отверстия, при этом выходное отверстие каждой секции последовательно соединено каналом с входным отверстием последующей таким образом, что образуется по меньшей мере две ступени сжатия.
В частном варианте исполнения в корпусе компрессора выполнен по меньшей мере один перепускной канал, соединяющий полость распределительного ротора, пазы которого совмещаются с выходным отверстием, с полостью основного ротора, взаимодействующего с указанным распределительным ротором, с обеспечением перетекания газа из зоны сжатия в паз указанного распределительного ротора.
В частном варианте выполнения компрессора в корпусе выполнен по меньшей мере один перепускной канал, соединяющий полость распределительного ротора, пазы которого совмещаются с выходным отверстием, с полостью основного ротора, взаимодействующего с указанным распределительным ротором, с обеспечением перетекания газа из зоны сжатия в паз указанного распределительного ротора.
В другом частном варианте выполнения неподвижная ось выполнена полой, с возможностью присоединение ее концов к внешней системе жидкостного охлаждения.
В другом частном варианте выполнения компрессора пазы распределительного ротора и перемычки основного ротора выполнены цилиндрической формы.
Использование в конструкции схем размещения роторов, в которых количество распределительных роторов, как минимум на один больше количества основных роторов, позволит усовершенствовать компрессор:
- за счет образования промежуточных камер, способствующих в итоге повышению степени сжатия в одной ступени;
- за счет образования нескольких компримирующих газовых трактов внутри одного корпуса в результате взаимодействия отдельных пар роторов; причем, как правило один основной ротор образует две или более пары с распределительными роторами, что обеспечивает создание малогабаритных высокопроизводительных конструкций;
- за счет использования промежуточных камер и нескольких компримирующих газовых трактов в одном корпусе, кроме того применение различных схем коммутирования впускных, выпускных и дополнительных окон в корпусах с использованием промежуточного естественного или принудительного охлаждения.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами:
На фиг. 1 показан вид компрессора с одним основным и двумя распределительными роторами и одной промежуточной камерой в разрезе с указанием позиций.
На фиг. 2 - фиг. 5 последовательно показан перенос газа при движении роторов.
На фиг. 6 показаны основной и распределительный роторы в аксонометрической проекции.
На фиг. 7 показан вариант исполнения компрессора с одним основным, тремя распределительными роторами и двумя промежуточными камерами.
На фиг. 8 показан вариант выполнения компрессора с одним основным, тремя распределительными роторами и тремя компримирующими газовыми трактами.
На фиг. 9 показан вариант выполнения компрессора с одним основным, двумя распределительными роторами, образующими два компримирующих газовых тракта.
На фиг. 10 показан вариант выполнения компрессора с одним основным, тремя распределительными роторами, двумя компримирующими газовыми трактами и одной промежуточной камерой.
На фиг. 11 показан вариант выполнения компрессора с одним основным, четырьмя распределительными роторами, двумя компримирующими газовыми каналами и двумя промежуточными камерами.
На фиг. 12 показан вариант исполнения компрессора с двумя основными и тремя распределительными роторами, двумя компримирующими газовыми каналами и двумя промежуточными камерами.
Компрессор, показанный на фиг. 1, содержит корпус 1, в котором выполнены входное 2 и выходное 3 отверстия и внутренние расточки в форме цилиндрических колодцев по числу используемых роторов, в колодцах расположены - основной ротор 4 - размещенный на неподвижной оси 5, имеющую внутреннюю полость 18, распределительный ротор 6 и дополнительный распределительный ротор 8, оси которых параллельны. Корпус 1 ограничен с двух сторон торцевыми плитами с гнездами, в которых установлены подшипники, обеспечивающие возможность вращения всех роторов; кроме того к плитам крепятся крышки с узлами фиксации концов неподвижной оси 5 и на одной из крышек размещен узел силового привода зубчатых колес синхронизирующих вращение всех роторов.
Распределительные роторы 6 и 8 сопрягаются с неподвижной осью 5, на которой размещен основной ротор 4, при этом в местах сопряжений образуются полости 11 и 12 «мертвого» пространства, а между самими роторами - промежуточная камера-тамбур 13. Тамбур 13 через дополнительное выпускное окно 14 и перепускной канал 10 соединен с дополнительным впускным окном 7; кроме того зона сжатия через дополнительное выпускное окно 15 и перепускной канал 16 соединена с дополнительным впускным окном 17.
Заявленный компрессор может также иметь следующие формы выполнения, следует понимать, что в описании указаны только некоторые из возможных форм, которые можно объединить по принципу в соответствии с которым количество распределительных роторов, как минимум на один больше количества основных роторов и, которые различаются количеством и расположением, основных и распределительных роторов, что определяет образование одного или нескольких компримирующих газовых трактов и/или промежуточных камер.
На фиг. 7 показан вариант исполнения одноступенчатого компрессора с повышенным гидравлическим сопротивлением между зонами сжатия и всасывания за счет использования трех распределительных роторов, взаимодействующих с одним основным ротором, что обуславливает образование двух промежуточных камер на пути возможного перетекания газа из зоны сжатия в зону всасывания.
На фиг. 8 показан вариант исполнения двухступенчатого компактного компрессора с тремя распределительными роторами, взаимодействие с одним основным ротором обуславливает образование трех компримирующих трактов, при этом газовые коммуникации соединены таким образом, чтобы сжатый газ из двух параллельных трактов поступал на вход в третий тракт.
На фиг. 9 показан вариант исполнения одноступенчатого компактного компрессора с двумя распределительными роторами, оппозитно расположенными относительно основного ротора, что предопределяет образование двух параллельных газовых трактов, при прохождении от по которым газ подвергается сжатию.
На фиг. 10 представлен вариант компрессора с тремя распределительными роторами и одним основным ротором, причем два распределительных ротора размещены в непосредственной близости друг от друга с одной стороны основного ротора с образованием промежуточной  камеры, а третий распределительный ротор расположен с другой стороны основного ротора оппозитно первым двум, что обуславливает образование двух трактов, компримирующих газ. Соединение выпускного канала первого газового тракта с зоной переноса газа второго тракта обеспечивает двухступенчатый режим работы компрессора с сохранением производительности в соответствии с объемами всасывания обоих газовых трактов.
На фиг. 11 представлен вариант исполнения двухступенчатого компрессора с одним основным ротором и двумя парами распределительных роторов, взаимодействующих с ними и расположенных оппозитно, что обуславливает образование двух газовых компримирующих трактов, в состав которых входят промежуточные камеры. Коммутирование впускных, выпускных, входных, выходных и дополнительных окон в корпусе выполнено с учетом необходимости отвода части газов из промежуточных камер в зоны переноса для последующего сжатия и подачи сжатого в первом тракте газа в зону переноса второго тракта, чтобы обеспечить производительность в соответствии с объемами всасывания в оба компримирующих тракта.
На фиг. 12 представлен вариант исполнения компрессора с двумя основными и тремя распределительными роторами, двумя компримирующими газовыми каналами и двумя промежуточными камерами. В корпусе 1 компрессора выполнены входное 2 и выходное 3 окна, и размещены пять роторов два основных 4 и три распределительных ротора. Два основных ротора расположены на полых неподвижных осях, и один распределительный ротор 6 расположен между ними, причем оси трех этих роторов лежат в одной плоскости, что предопределяет образование двух параллельно действующих роторных пар, имеющих общий распределительный ротор, два других распределительных ротора 8 расположены в непосредственной близости друг от друга и взаимодействуют с основным ротором так, что между ними образуются две промежуточные камеры-тамбура 13, соединенными перепускными каналами 10 с соответствующими дополнительными впускными окнами 7 на корпусе. Зона сжатия также через дополнительное выпускное окно 15 и перепускной канал 16 соединена с дополнительным впускным окном 17.
Во всех заявляемых вариантах полезной модели основные роторы выполнены в виде полых цилиндров с продольными прорезями, разделенными перемычками и размещены на неподвижных осях, а распределительные роторы выполнены в виде сплошных цилиндров с продольными пазами.
Компрессор может быть выполнен из нескольких секций. В этом варианте корпус компрессора разделен 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 входное и выходное отверстия, при этом выходное отверстие каждой секции последовательно соединено каналом с входным отверстием последующей таким образом, что образуется по меньшей мере две ступени сжатия.
Неподвижная ось 18 может быть выполнена полой, с возможностью присоединение ее концов к внешней системе жидкостного охлаждения.
Пазы распределительного ротора и перемычки основного ротора в наиболее предпочтительном варианте имеют цилиндрическую форму.
Ниже приводится один из примеров осуществления полезной модели.
В пространство между двумя перемычками основного ротора 4 в зоне всасывания через основное впускное окно поступает газ, например, воздух. При вращении основного ротора 4 и взаимодействующих с ним распределительных роторов 8 и 6 происходит заполнение воздухом промежутков между перемычками основного ротора 4 и пазов на распределительных роторах 8 и 6. После разобщения заполненных воздухом указанных полостей и впускного окна порции воздуха переносятся в зону сжатия и нагнетания; при этом порции воздуха, переносимые основным ротором 4, поступают непосредственно в зону сжатия и нагнетания, а порции воздуха, поступившие в пазы дополнительного распределительного ротора 8, переносятся в начале в промежуточную камеру - тамбур 13, где происходит их перетекания в пазы распределительного ротора 6, который переносит указанные порции воздуха в зону сжатия и нагнетания.
Общая картина всасывания переноса и сжатия воздуха в значительной мере корректируется из-за наличия локальных процессов сжатия, расширения и перепуска порции сжимаемого воздуха, а именно: порция воздуха в зоне сжатия (см. фиг. 4,5) частично перетекает через окно 15 по каналу 16 в полость паза распределительного ротора 6, так как окно 17 в данный момент совмещается с полостью паза; таким образом, процесс внутреннего сжатия, как результат изменения объема камеры сжатия распространяется и на порцию воздуха в полости паза кроме того, очевидно, что близкий к замыканию объем «мертвого» пространства 11 заполняется задолго до того, как степень сжатия воздуха достигает своего максимума. Момент максимального сжатия и начала нагнетания сопровождающиеся внешним сжатием за счет ранее накопленной энергии сжатого воздуха в магистрали нагнетания, определяется положением паза распределительного ротора 6, когда в процессе вращения роторов паз совмещается одновременно с выпускным окном 3 и зоной сжатия, что отражает фиг. 2. По окончании процесса нагнетания не весь сжимаемый воздух уходит в пневмосистему, часть его остается в полости между перемычкой основного ротора 4 и стенками паза распределительного ротора 6, как показано на фиг. 3. При дальнейшем вращении роторов эта остаточная порция сжатого воздуха перетекает в зону сжатия и осуществляет в ней предварительное внешнее сжатие, далее процесс сжатия происходит по ранее описанной схеме. Возвращаясь к моменту заполнения «мертвого» пространства 11, необходимо уточнить, что эта порция воздуха имеет давление, значительно превышающее атмосферное; перетеканию этой порции воздуха без снижения давления в зону всасывания, что могло бы значительно уменьшить объем всасываемого из атмосферы воздуха, препятствует наличие промежуточной между роторами 6 и 8 камеры 13.
При соединении полости «мертвого» пространства 11 с камерой 13 в объединенном объеме устанавливается пониженное давление, так как в состав этого объема входят также паз дополнительного распределительного ротора 8 и зона переноса, заключенная между перемычками основного ротора 4, с которой камера 13 соединена каналом 10. Таким образом, при дальнейшем вращении роторов вторую полость «мертвого» пространства 12 заполняет воздух, поступающий из промежуточной камеры - тамбура 13 и имеющий давление, незначительно превышающее атмосферное. Степень сжатия воздуха, заполняющего «мертвое» пространство 12, в первом приближении может быть вычислено из условия баланса, поступающего в тамбур 13 воздуха и выходящего из него при установившемся режиме работы компрессора, а именно: за каждый цикл всасывания в объединенное пространство промежуточной камеры 13 поступает из зоны всасывания сумма объемов воздуха с атмосферным давления полости между перемычками основного ротора 4 и паза дополнительного распределительного ротора 8, такие же по объему с искомой степенью сжатия порции воздуха покидают камеру 13; кроме того из полости «мертвого» пространства 11 в камеру 13 поступает порция воздуха с величиной степени сжатия на момент заполнения и такая же по объему порция воздуха, но тоже с искомой степенью сжатия покидает камеру 13. Число циклов всасывания (сжатия) за один оборот основного ротора 4 определяется числом перемычек в конструкции данного ротора. После пересчета величин указанных порции воздуха применительно к одному обороту ротора 4 формула для подсчета искомой степени сжатия приобретает вид:
5
11
Где: V - объем полости (камеры) «мертвого» пространства 11;
- степень сжатия, как соотношение количества воздуха до и после сжатия в камере 11 в момент завершения ее заполнения;
вс
V - теоретический объем всасывания воздуха в расчете на один оборот основного ротора 4.
Исходные данные для подсчета искомой степени сжатия получают в результате графо-аналитического предварительного расчета, являющегося составной частью проектирования компрессора.
Для уточнения величины искомой степени сжатия расчет проводится два, три раза следуя методу последовательных приближений.
На том же принципе основано действие многоступенчатого, много секционного компрессора. Здесь в каждой секции происходит сжатие газа с последовательной передачей его из выходного отверстия каждой секции по каналам во входное отверстие последующей секции. При этом принцип работы каждой секции аналогичен вышеприведенному принципу работы одноступенчатого компрессора по первому варианту исполнения.
Компрессор может также работать в режиме вакуум-насоса, т.е выполнен с возможностью вакуумирования газа, без изменения принципа работы и существенных конструктивных изменений.
Дополнительно следует отметить конструктивные особенности, положительно влияющие на процесс сжатия воздуха, а именно: значительную по величине площадь поверхности теплоотдачи корпуса и наличие полости 18, подключаемой к внешней системе жидкостного охлаждения, что позволяет использовать малые тепловые зазоры и таким образом способствует уменьшению внутренних перетечек сжимаемого воздуха.