Шиберный нагнетатель
GATE SUPERCHARGER

Изобретение относится к нагнетательным установкам и может, в частности, использоваться в вентиляторостроении.
Для перемещения текучих сред широко используются нагнетатели центробежного и осевого типов, а также лопастные нагнетатели. Они создают невысокий напор и имеют низкий к.п.д. Повышение создаваемого напора достигается путем многоступенчатого исполнения нагнетателей, что значительно усложняет их конструкцию [Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: Энергия, 1977. с. 194-206, с. 233-240.].
Более высокий создаваемый напор имеют нагнетатели объемного типа. Известны нагнетатели объемного типа с возвратно-поступательным движением рабочего органа -поршня или диафрагмы. Подача перемещаемой среды в таких нагнетателях осуществляется прерывисто, а рабочий орган имеет холостой ход. Они динамически неуравновешены и конструктивно сложны. В другой группе известных нагнетателей объемного типа рабочий орган имеет вращательное движение [Калинушкин М.П. Гидравлические машины и холодильные установки. М.: Высшая школа, 1973. с. 14-15, с. 101-109.]. К их числу относятся ротационные нагнетатели [Абдурашитов С.А., Тупеченков А.А., Вершинин И.М., Тененгольц СМ. Насосы и компрессоры. М.: Недра, 1974. с. 168 (рис. 71.1).]. Их работа сопровождается повышенным износом кромки лопасти, трущейся о поверхность цилиндрического статора, и возможностью заклинивания лопасти при радиальном ее перемещении в направляющем пазу вращающегося ротора. Недостатком является и то, что такие нагнетатели не могут обеспечить большие подачи перемещаемой среды из-за малого объема рабочего пространства, которое ограничивается величиной допустимой амплитуды радиального перемещения лопасти.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является нагнетатель, содержащий корпус, включающий цилиндрический статор и боковые плоские стенки с кольцевыми приливами в центральной части, соосные с цилиндрическим статором вал привода, подшипники и трубчатая ступица с лопастями - шиберами, размещенные в отверстиях цилиндрического статора клапаны для пропуска перекачиваемой среды, впускной и выпускной патрубки [Патент на изобретение RU №2675634. МПК F04D 25/00 от 26.02.2018. Опубл. 21.12.2018. Бюл.№36.] - прототип.
Известное устройство [Патент на изобретение RU №2675634. МПК F04D 25/00 от 26.02.2018. Опубл. 21.12.2018. Бюл.№36.] обеспечивает непрерывную подачу перекачиваемой среды при повышенном напоре. Недостатком является динамическая нагруженность элементов стопорного устройства нагнетателя, что приводит к ускоренному их износу, уменьшает надежность и межремонтный цикл работы.
Техническая проблема заключается в упрощении конструкции и улучшении рабочих характеристик нагнетателя.
Технический результат настоящего изобретения - устранение стопорного устройства из нагнетателя.
Поставленная проблема решается тем, что шиберный нагнетатель, содержащий корпус, включающий цилиндрический статор и боковые плоские стенки с кольцевыми приливами в центральной части, соосные с цилиндрическим статором вал привода, подшипники и трубчатая ступица с лопастями-шиберами, размещенные в отверстиях цилиндрического статора клапаны для пропуска перекачиваемой среды, впускной и выпускной патрубки, дополнительно содержит установленные в корпусе радиально расположенные замыкающие лопасти с закрепленными на них угловыми накладками, отверстия в цилиндрическом статоре для размещения в них клапанов выполнены в непосредственной близости от сторон замыкающих лопастей и образуют по окружности цилиндрического статора два ряда, в одном из которых размещены впускные клапаны, а в другом - выпускные клапаны, на внешней стороне цилиндрического статора расположены впускной и выпускной коллекторы с размещенными на них соответственно впускным и выпускным патрубками и клапанными коробками с крышками, вал привода через подшипники закреплен в кольцевых приливах боковых плоских стенок корпуса и жестко соединен с помощью кольцевых проставок с трубчатой ступицей, на концах которой имеются направленные по образующим щелевые отверстия, в которых расположены хвостовики лопастей-шиберов. Вал привода соединен с валом силового приводного устройства кривошипно-шатунным механизмом, одна из боковых плоских стенок корпуса имеет фланцевый разъем с цилиндрическим статором, причем фланцевый разъем выполнен с центрирующими штифтами, между валом привода и кольцевыми приливами боковых плоских стенок корпуса размещены уплотнения, кромки радиально расположенных в корпусе замыкающих лопастей размещены в пазах цилиндрического статора и боковых плоских стенок и закреплены винтами, боковые кромки хвостовиков лопастей-шиберов размещены с защемлением в радиальных пазах кольцевых проставок, в отверстиях цилиндрического статора установлены клапаны прямоточного типа.
В отличие от известного устройства, совокупность отличительных признаков позволяет упростить конструкцию. Необходимость в использовании стопорного устройства отпадает, следовательно, повышается надежность и долговечность работы шиберного нагнетателя. Улучшаются динамические характеристики шиберного нагнетателя, так как из-за особенностей работы кривошипно-шатунного механизма ускорение движения лопастей-шиберов при приближении к крайним точкам траектории движения плавно замедляется до нулевого значения, а затем, при обратном движении, так же плавно возрастает.
На фиг. 1 показан поперечный разрез заявляемого шиберного нагнетателя (сечение А-А на фиг. 2); на фиг. 2 - продольный разрез шиберного нагнетателя; на фиг. 3 - рабочий орган, включающий приводной вал, кольцевые проставки и лопасти-шиберы; на фиг. 4 - вид по В-В на фиг. 2; на фиг. 5 - схема кривошипно-шатунного механизма.
Шиберный нагнетатель содержит корпус 1, включающий цилиндрический статор 2 и боковые плоские стенки 3 с кольцевыми приливами 4 в центральной части. Соосно с цилиндрическим статором 2 расположены вал привода 5, подшипники 6 и трубчатая ступица 7 с лопастями-шиберами 8. В корпусе 1 установлены радиально расположенные замыкающие лопасти 9 с закрепленными на них с помощью винтов 10 или других связей угловыми накладками 11. В отверстиях в цилиндрическом статоре 2, выполненных в непосредственной близости от сторон замыкающих лопастей 9 и образующих два ряда по окружности цилиндрического статора 2, размещены в один ряд впускные прямоточные клапаны 12, а в другой ряд - выпускные прямоточные клапаны 13. На внешней стороне цилиндрического статора 2 расположены впускной 14 и выпускной 75 коллекторы с размещенными на них соответственно впускным патрубком 16 и выпускным патрубком 17, а также клапанными коробками 18 с крышками 19. Вал привода 5 через подшипники 6 закреплен в кольцевых приливах 4 боковых плоских стенок 3 корпуса 1 и жестко соединен с помощью кольцевых проставок 20 с трубчатой ступицей 7, в концевых щелевых отверстиях которой расположены хвостовики 21 лопастей-шиберов 8. Вал привода 5 соединен с выходным валом 22 силового приводного устройства кривошипно-шатунным механизмом, включающим в себя кривошип 23 выходного вала 22, шатун 24, кривошип 25 вала привода 5 и шарниры 26. Одна из боковых плоских стенок 3 корпуса 1 имеет фланцевый разъем 27 с цилиндрическим статором 2. Для точного фиксирования съемной боковой плоской стенки 3 относительно цилиндрического статора 2 фланцевый разъем 27 выполнен с центрирующими штифтами 28. Между валом привода 5 и кольцевыми приливами 4 боковых плоских стенок 3 корпуса 1 размещены уплотнения 29. Кромки радиально расположенных в корпусе 1 замыкающих лопастей 9 размещены в пазах 30 цилиндрического статора 2 и боковых плоских стенок 3 и закреплены винтами 31. Боковые кромки хвостовиков 21 лопастей-шиберов 8 размещены с защемлением в радиальных пазах 32 кольцевых проставок 20 и дистанционирующих колец 33.
Шиберный нагнетатель работает следующим образом.
При вращении выходного вала 22 силового приводного устройства по часовой стрелке (или против, как показано стрелкой на фиг. 5) кривошип 23 совершает вместе с валом 22 вращательные движения, которые с помощью шатуна 24, имеющего на концах шарниры 26, и кривошипа 23 преобразуются в качательные движения вала привода 5, соединенного с кривошипом 23, относительно своей оси на определенный угол, величина которого зависит от числа лопастей-шиберов 8 в нагнетателе. От вала привода 5 через жестко с ним соединенные кольцевые проставки 20 вращающий момент переменного направления передается на трубчатую ступицу 7, в концевых щелях которой расположены хвостовики 21 лопастей-шиберов 8. Под действием вращающего момента переменного направления лопасти-шиберы 8 также приобретают качательное движение относительно оси вала привода 5, перемещаясь каждая в своем секторном пространстве корпуса 1 от одной радиально расположенной замыкающей лопасти 9 с закрепленными на ней с помощью винтов 10 или других связей угловыми накладками 11 к другой, смежной с ней, подобной по конструкции замыкающей лопасти 9 в прямом и обратном направлениях. В процессе качательного движения лопасти-шиберы 8 сохраняют свое радиальное расположение благодаря тому, что боковые кромки их хвостовиков 21 размещены с защемлением в радиальных пазах 32 кольцевых проставок 20 и дистанционирующих колец 33. Замыкающие лопасти 9 неподвижны. Они разъемно соединены с цилиндрическим статором 2 и с боковыми плоскими стенками 5 путем размещения кромок лопастей в пазах 30 и закрепления винтами 31 по образующим цилиндрического статора 2. Угловые накладки 11 на замыкающих лопастях 9 служат для минимизации объема «мертвых» пространств в секторах корпуса 1, образуемых замыкающими лопастями и ометаемых лопастями-шиберами 8, что повышает к.п.д. нагнетателя.
При движении лопастей-шиберов 8 против часовой стрелки (см. фиг. 1) перекачиваемая среда через впускной патрубок 16 поступает во впускной коллектор 14, откуда под действием положительной разности давлений в коллекторе 14 и части объемов секторов корпуса 1 за движущимися лопастями-шиберами 8 проходит в данный временной момент через один из каждой пары, расположенных в отверстиях цилиндрического статора 2 в непосредственной близости от сторон замыкающих лопастей 9, впускных прямоточных клапанов 12 и заполняет пространства с пониженным давлением за лопастями-шиберами 8. Другой, смежный, в каждой паре впускной прямоточный клапан 12 в этот временной момент закрыт для прохода перекачиваемой среды из-за отрицательной разности давлений в коллекторе 14 и части объемов секторов корпуса 1 перед движущимися лопастями-шиберами 8. Из этой части объемов секторов корпуса 1, где осуществляется сжатие перекачиваемой среды и повышается ее давление, среда через один из каждой пары расположенных в отверстиях цилиндрического статора 2 в непосредственной близости от сторон замыкающих лопастей 9 выпускных прямоточных клапанов 13 перетекает в пространство выпускного коллектора 15, откуда через выпускной патрубок 17 выводится из шиберного нагнетателя. Здесь так же, как и в рассмотренном выше случае впуска среды, другой, смежный, в каждой паре выпускной прямоточный клапан 13 в этот временной момент закрыт для прохода перекачиваемой среды из-за отрицательной разности давлений в части объемов секторов корпуса 1 за движущимися лопастями-шиберами 8.
Таким образом, качательные движения лопастей-шиберов 8, пропуск среды прямоточными впускными 12 и выпускными 13 клапанами в направлении ее движения от впускного патрубка 16 до выпускного патрубка 17 при давлении среды перед клапанами большим, чем за клапанами, и перекрытие пропуска при обратном соотношении давлений среды, обеспечивают функционирование шиберного нагнетателя в соответствии с назначением.
Наличие клапанных коробок 18 с крышками 19 на впускном 14 и выпускном 15 коллекторах обеспечивает доступ к впускным 12 и выпускным 13 клапанам, что создает определенные удобства при обслуживании шиберного нагнетателя. Наличие уплотнений 29, примыкающих к подшипникам 6 и расположенных между валом привода 5 и кольцевыми приливами 4 боковых плоских стенок 3 корпуса 1, герметизирует рабочее пространство корпуса 1 и устраняет возможные перетоки среды вдоль вала привода 5. Минимизация перетоков перекачиваемой среды между образуемыми лопастями частями секторов в корпусе 1 с разными давлениями обеспечивается малой величиной зазоров между кромками лопастей-шиберов 8 и цилиндрическим статором 2, а также боковыми плоскими стенками 3, и зазоров между кромками замыкающих лопастей 9 с трубчатой ступицей 7. Этой же цели служит и заострение кромок лопастей 8 и 9 в той их части, которая ометает сопряженные поверхности. Заострение кромок лопастей приближает зазоры в гидравлическом отношении к отверстиям в тонкой стенке, имеющим, как известно, минимальный расход при истечении среды.
Наличие фланцевого разъема 27 одной из боковых плоских стенок 3 корпуса 1 с цилиндрическим статором 2 облегчает сборку-разборку шиберного нагнетателя и выполнение ремонтных работ. Для точной центровки боковой плоской стенки с фланцевым разъемом относительно цилиндрического статора служат центрирующие штифты 28, рассредоточенные по окружности в плоскости разъема.
3
Шиберный нагнетатель осуществляет практически не зависимую от напора, равномерную во времени подачу перекачиваемой среды. Например, при диаметре цилиндрического статора 1 м, его длине 1 м, диаметре трубчатой ступицы 0,1 м, степени заполнения объема корпуса перекачиваемой газовой средой 0,9 и числе оборотов выходного вала силового приводного устройства равном 100 об/мин, подача составит 8400 м/ч. Создаваемый напор может достигать 0,1 МПа, а при соответствующем механическом укреплении элементов нагнетателя - 0,3 МПа.
Основные преимущества предлагаемого шиберного нагнетателя по сравнению с известными аналогичными устройствами следующие:
- простота конструкции, технологичность изготовления, высокая ремонтопригодность;
- повышенная надежность из-за отсутствия явно выраженных динамических нагрузок на элементы, минимизации трения и износа движущихся частей;
- возможность обеспечивать высокий напор и практическая независимость подачи от напора;
- низкие гидравлические потери;
- высокий коэффициент полезного действия.