ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ СИММЕТРИЧНАЯ ОБЪЕМНАЯ МАШИНА
CYLINDRICAL SYMMETRICAL THREE-DIMENSIONAL MACHINE

Настоящее изобретение относится к цилиндрической симметричной объемной машине.
Объемная машина также известна под названием «машина вытесняющего действия» (positive displacement machine).
В частности изобретение относится к машинам, таким как расширительные устройства, компрессоры и насосы с цилиндрической симметрией, содержащим два ротора, а именно, внутренней ротор, который установлен с возможностью вращения в наружном роторе.
Эти машины известны и описываются, например, в US 1,892,217. Также известно, что роторы могут иметь цилиндрическую или коническую форму.
Известно, что привод этих машин может осуществляться с помощью электрического двигателя.
Из заявки на патент Бельгии BE 2017/5459 известно, что электрический двигатель может быть установлен вокруг наружного ротора, при этом статор двигателя непосредственно приводит в движение наружный ротор.
Такая машина также раскрыта в документе известного уровня техники US 5857842 A, 12.01.1999, F04B17/00, который может быть выбран в качестве ближайшего аналога заявленного изобретения.
Эта машина имеет много преимуществ по сравнению с известными машинами, в которых вал двигателя соединен с помощью передаточного механизма с валом ротора наружного или внутреннего ротора.
Так, машина будет не только намного более компактной, так что занимаемая ею площадь будет меньше, это также означает, что потребуется меньше уплотнений вала и подшипников.
В известных машинах и в машине, раскрытой в US 5857842 A, роторы, подшипники и другие компоненты необходимо смазывать и охлаждать. Для этого обеспечен контур впрыска, который впрыскивает в машину жидкость, такую как масло или вода, например, для смазки, уплотнения и охлаждения. Контур впрыска также содержит систему для повышения давления жидкости и обеспечения возможности ее впрыска в машину.
Также существует впрыск жидкости между внутренним ротором и наружным ротором, при этом впрыск обязательно происходит на впуске, что ведет к увеличению температуры на впуске.
Также может быть впрыск жидкости на уровне двигателя, при этом статор двигателя имеет щели для обеспечения возможности прохождения через него жидкости. Двигатель также может охлаждаться воздухом.
Так как жидкость также впрыскивается между внутренним ротором и наружным ротором, газ будет содержать некоторое количество жидкости на выпуске машины. Поэтому необходимо, чтобы ниже по потоку от машины происходило отделение жидкости, в котором впрыскиваемая жидкость отделяется от газа.
Как следствие, необходимо не только обеспечить отдельный сепаратор жидкости, но, кроме того, в случае компрессора, это также означает потери давления.
Целью настоящего изобретения является улучшение смазки и охлаждения для машины, раскрытой в US 5857842 A.
Для достижения этой цели изобретение предлагает цилиндрическую симметричную объемную машину, содержащую корпус с впускным отверстием и выпускным отверстием, с двумя взаимодействующими роторами в корпусе, а именно, наружным ротором, установленным с возможностью вращения в корпусе, и внутренним ротором, установленным с возможностью вращения в наружном роторе, при этом машина приспособлена для впрыскивания в нее жидкости, отличающуюся тем, что машина выполнена с возможностью отделения жидкости у выпускного отверстия на уровне внутреннего ротора и наружного ротора, и приспособлена для повторного поступления в нее отделенной жидкости, и тем, что наружный ротор имеет осевое продолжение на уровне выпускного отверстия, которое продолжается вокруг этого выпускного отверстия почти до корпуса таким образом, что между осевым продолжением и корпусом образовано пространство.
Так как и внутренний ротор и наружный ротор будут вращаться с высокой скоростью у выпускного отверстия, частицы жидкости под действием центробежных сил будут отбрасываться наружу, т.е. к внутренней стороне наружного ротора. Тем самым они будут удаляться из сжатого воздуха.
Это дает преимущество в том, что не требуется обеспечивать отдельный сепаратор жидкости, а отделение происходит в самой машине.
Это не только сделает машину более компактной, но также обеспечит, в случае, если машина представляет собой компрессор, предотвращение потерь давления в сепараторе жидкости.
Предпочтительно по меньшей мере часть отделенной жидкости поступает обратно в машину через каналы для жидкости в наружном роторе.
«Каналы для жидкости в наружном роторе» означает, что каналы для жидкости эффективным образом продолжаются через наружный ротор. Другими словами, наружный ротор имеет полые каналы, в которых или через которые может течь жидкость.
Благодаря обеспечению каналов для жидкости в наружном роторе упомянутые частицы могут быть собраны и отведены через каналы для жидкости.
Наружный ротор имеет осевое продолжение на уровне выпускного отверстия, которое продолжается вокруг этого выпускного отверстия почти до корпуса таким образом, что между осевым продолжением и корпусом имеется пространство.
За счет центробежных сил и перемещения газа в направлении выпускного отверстия частицы жидкости будут поступать в упомянутое пространство между корпусом и осевым продолжением наружного ротора. Жидкость затем может быть отведена через это пространство.
Предпочтительно через осевое продолжение продолжается канал для жидкости, который оканчивается в пространстве между корпусом и осевым продолжением.
Благодаря тому, что жидкость поступает в упомянутое пространство, между корпусом и наружным ротором образуется своего рода осевой подшипник. В результате этого усилия, действующие на шариковый подшипник, который поддерживает наружный ротор, будут меньше. Следовательно, можно использовать шариковый подшипник меньшего размера.
В практическом варианте осуществления каналы для жидкости в наружном роторе ведут к одному или более из следующих мест:
- одна или более точек впрыска в пространство между внутренним ротором и наружным ротором;
- одна или более точек впрыска в один или более подшипники машины.
Каналы для жидкости обеспечивают возможность направления жидкости в нужные места, которые требуют смазки и/или охлаждения.
Это дает преимущество в том, что впрыск между внутренним ротором и наружным ротором не должен осуществляться на стороне впуска, так как каналы для жидкости могут быть выполнены таким образом, чтобы оканчиваться ниже по потоку относительно стороны впуска в пространстве между внутренним ротором и наружным ротором. Это предотвращает увеличение температуры на впуске из-за впрыска на впускном отверстии.
В соответствии с предпочтительным признаком изобретения наружный ротор имеет открытую конструкцию с проходами для всасываемого воздуха, так что газ, всасываемый через впускное отверстие, должен проходить через проходы открытой конструкции перед тем, как он поступит между внутренним ротором и наружным ротором.
Преимуществом этого является то, что получают своего рода воздушное охлаждение машины, в котором наружный ротор может охлаждаться всасываемым воздухом.
Этот принцип также обеспечивает возможность охлаждения жидкости в каналах для жидкости.
Кроме того, если машина относится к машине, раскрытой в BE2017/5459, это означает, что также может осуществляться активное охлаждение магнитов, встроенных в наружный ротор.
Чтобы лучше показать особенности изобретения, несколько предпочтительных вариантов осуществления цилиндрической симметричной объемной машины в соответствии с изобретением будут описаны ниже в качестве неограничивающего примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 - схематически иллюстрирует машину в соответствии с изобретением;
фиг. 2 - иллюстрирует в увеличенном масштабе область, указанную на фиг. 1 как F2;
фиг. 3 - иллюстрирует вариацию фиг. 2;
фиг. 4 - иллюстрирует в увеличенном масштабе область, указанную на фиг. 1 как F4;
фиг. 5 - иллюстрирует в увеличенном масштабе область, указанную на фиг. 4 как F5;
фиг. 6 - иллюстрирует вариацию фиг. 5;
фиг. 7 - иллюстрирует другой вариант осуществления фиг. 4;
фиг. 8 - иллюстрирует в увеличенном масштабе область, указанную на фиг. 1 как F8;
фиг. 9 - иллюстрирует в увеличенном масштабе область, указанную на фиг. 1 как F9.
Машина 1, схематически иллюстрируемая на фиг. 1, в данном случае представляет собой компрессорное устройство.
В соответствии с изобретением машина 1 также может представлять собой расширительное устройство. Изобретение также может относиться к насосному устройству.
Машина 1 представляет собой цилиндрическую симметричную объемную машину 1. Это означает, что машина 1 имеет цилиндрическую симметрию, т.е. такие же симметричные свойства, что и конус.
Машина 1 содержит корпус 2, имеющий впускное отверстие 3 для всасывания подлежащего сжатию газа и выпускное отверстие 4 для сжатого газа. Корпус 2 образует камеру 5.
Два взаимодействующих ротора 6a, 6b, а именно, наружный ротор 6a, установленный с возможностью вращения в корпусе 2, и внутренней ротор 6b, установленный с возможностью вращения в наружном роторе 6a, расположены в камере 5 в корпусе 2 машины 1.
Оба ротора 6a, 6b имеют выступы 7 и могут вращаться относительно друг друга взаимодействующим образом, при этом между выступами 7 образуется камера 8 сжатия, объем которой может уменьшаться при вращении роторов 6a, 6b, так что газ, захваченный в камере 8 сжатия, сжимается. Это принцип очень похож на известные соприкасающиеся взаимодействующие винтовые роторы.
Роторы 6a, 6b установлены на подшипниках в машине 1, при этом внутренний ротор 6b на одном конце 9a установлен в машине 1 на подшипнике, а другой конец 9b внутреннего ротора 6b как бы поддерживается наружным ротором 6a.
В иллюстрируемом примере наружный ротор 6a установлен на обоих концах 9a, 9b в машине 1 на подшипниках. По меньшей мере один осевой подшипник 10 используется для этого.
Конец 9a в дальнейшем будет также называться как сторона 9a впуска внутреннего и наружного роторов 6a, 6b, а конец 9b внутреннего и наружного роторов 6a, 6b будет называться как сторона 9b выпуска.
Упомянутая камера 8 сжатия между внутренним и наружным роторами 6a, 6b будет перемещаться от стороны 9a впуска к стороне 9b выпуска при вращении роторов 6a, 6b.
В иллюстрируемом примере роторы 6a, 6b имеют коническую форму, при этом диаметр D, D’ роторов 6a, 6b уменьшается в осевом направлении X-X’. Однако это не является обязательным для изобретения, диаметр D, D’ роторов 6a, 6b также может быть постоянным или изменяться другим образом в осевом направлении X-X’.
Такая конструкция роторов 6a, 6b является подходящей как для компрессорного устройства, так и для расширительного устройства. В качестве альтернативы, роторы 6a, 6b также могут иметь цилиндрическую форму с постоянным диаметром D, D’. Далее, они могут иметь или переменный шаг, так что имеется встроенное объемное отношение, в случае компрессорного или расширительного устройства, или постоянный шаг, в случае, если машина 1 представляет собой насосное устройство.
Ось 11 наружного ротора 6a и ось 12 внутреннего ротора 6b представляют собой фиксированные оси 11, 12. Это означает, что оси 11, 12 не перемещаются относительно корпуса 2 машины 1, однако они не продолжаются параллельно, а расположены под углом α относительно друг друга, при этом оси пересекаются в точке P.
Однако это не является обязательным для изобретения. Например, если роторы 6a, 6b имеют постоянный диаметр D, D’, оси 11, 12 могут продолжаться параллельно.
Далее, машина 1 также имеет электрический двигатель 13, который будет приводить в движение роторы 6a, 6b. Двигатель 13 имеет ротор 14 двигателя и статор 15 двигателя.
В данном случае электрический двигатель 13 установлен вокруг наружного ротора 6a, при этом статор 15 двигателя непосредственно приводит в движение наружный ротор 6a.
В иллюстрируемом примере это реализовано тем, что наружный ротор 6a также служит в качестве ротора 14 двигателя.
Электрический двигатель 13 также имеет постоянные магниты 16, встроенные в наружный ротор 6a.
Конечно, также возможно, что магниты 16 не встроены в наружный ротор 6a, а, например, установлены на его наружной стороне.
Вместо электрического двигателя 13 с постоянными магнитами 16 (т.е. синхронного двигателя с постоянными магнитами) также может использоваться асинхронный индукционный двигатель, при этом магниты 16 заменяются на короткозамкнутый ротор (ротор с «беличьей клеткой»). С помощью индукции от статора двигателя в короткозамкнутом роторе генерируется ток.
С другой стороны, двигатель 13 также может быть реактивного типа или индукционного типа или комбинации типов.
Статор 15 двигателя установлен вокруг наружного ротора 6a охватывающим образом, при этом в данном случае он расположен в корпусе 2 машины 1.
Тем самым смазку двигателя 13 и роторов 6a, 6b можно осуществлять вместе, так как они расположены в одном корпусе 2 и, следовательно, не изолированы друг от друга.
В примере, иллюстрируемом на фиг. 1, наружный ротор 6a имеет осевое продолжение 17 на уровне выпускного отверстия 4.
Осевое продолжение 17 продолжается вокруг выпускного отверстия 4 в корпусе 2 и почти до корпуса 2.
На фиг. 1 корпус 2 имеет подобное осевое продолжение 18 вокруг выпускного отверстия в направлении осевого продолжения 17 наружного ротора 6a, но это не является обязательным.
Между корпусом 2 и осевым продолжением 17 имеется пространство 19 или открытое место, как показано подробно на фиг. 2.
Тем самым отделение жидкости будет происходить у выпускного отверстия 4 на уровне внутреннего ротора 6b и наружного ротора 6a через упомянутое пространство 19, так как частицы жидкости отбрасываются в пространство 19 под действием центробежной силы.
Через осевое продолжение 17 продолжается канал 20 для жидкости, который оканчивается в упомянутом пространстве 19 и который будет собирать и отводить отделенные частицы жидкости.
Возможно, чтобы в упомянутом пространстве 19 между осевым продолжением 17 и корпусом 2 был обеспечен пористый поглощающий жидкость материал 21, как показано на фиг. 3.
Упомянутый пористый материал 21 может представлять собой, например, металлическую пену.
Упомянутые каналы 20 для жидкости продолжаются через наружный ротор 6a, как показано на фиг. 4.
В примере на фиг. 4 каналы 20 для жидкости ведут к подшипникам 10 наружного ротора 6a и к точке 22 впрыска в пространство между внутренним ротором 6b и наружным ротором 6a.
Как показано на фиг. 4, каналы 20 для жидкости продолжаются дальше, и далее в наружном роторе 6a, ближе к стороне 9a впуска, они будут вести к одной или более дополнительным точкам 22 впрыска в пространство между внутренним ротором 6b и наружным ротором 6a.
Это означает, что жидкость может впрыскиваться в разных точках 22 вдоль всей длины внутреннего и наружного роторов 6a, 6b, вместо только вдоль стороны 9a впуска, как в известных машинах 1.
Как показано на фиг. 1 и фиг. 4, наружный ротор 6a имеет одно или более охлаждающих ребер 23.
Они обеспечены на осевом продолжении 17 наружного ротора 6a, но они также могут быть обеспечены в любом месте на наружном роторе 6a.
На фиг. 4 они являются перпендикулярными поверхности наружного ротора 6a, однако это не является обязательным.
Из подробного вида на фиг. 5 видно, что каналы 20 для жидкости продолжаются через эти охлаждающие ребра 23.
Работа машины 1 является очень простой и выглядит следующим образом.
Во время работы машины 1 статор 15 двигателя будет известным образом приводить в движение ротор 14 двигателя и тем самым приводить в движение наружный ротор 6a.
Наружный ротор 6a будет способствовать приведению в движение внутреннего ротора 6b, и вращение роторов 6a, 6b всасывает газ через впускное отверстие 3, который будет поступать в камеру 8 сжатия между роторами 6a, 6b. Когда газ всасывается через впускное отверстие 3, он будет течь мимо охлаждающих ребер 23, ротора 14 двигателя и статора 15 двигателя. Таким образом, газ будет охлаждать двигатель 13, а также охлаждающие ребра 23 и тем самым жидкость, текущую через охлаждающие ребра 23.
Благодаря вращению камера 8 сжатия перемещается к выпускному отверстию 4, и в то же время она будет уменьшаться в объеме, чтобы тем самым обеспечить сжатие газа.
Во время сжатия жидкость впрыскивается через точки 22 впрыска, которые оканчиваются в пространстве между внутренним ротором 6b и наружным ротором 6a и в подшипниках 10.
Когда газ достигает сторону 9b выпуска внутреннего и наружного роторов 6a, 6b, он будет содержать частицы жидкости.
Благодаря вращению внутреннего и наружного роторов 6a, 6b частицы жидкости отбрасываются наружу в радиальном направлении и отделяются в пространство 19, где они поступают в канал 20 для жидкости. Повышенное давление на стороне 9b выпуска будет использоваться для впрыска жидкости в машину 1.
Для предотвращения того, что частицы жидкости, отбрасываемые в пространство 19, будут увлекаться к выпускному отверстию 4 вместе со сжатым воздухом, в этом пространстве 21 может быть обеспечен поглощающий жидкость материал, как показано на фиг. 3, который будет как бы улавливать частицы жидкости.
Также, благодаря наличию жидкости в пространстве 19 между осевым продолжением 17 и корпусом 2 образуется подшипник скольжения.
Этот подшипник скольжения будет способен выдерживать осевые усилия, так что подшипник 10 должен будет способен выдерживать меньшие усилия, и он может быть выполнен меньшего размера и/или более легким.
Небольшая часть жидкости будет способна покинуть пространство 19 через отверстие на внешней периферийной стороне.
Вышеописанный эффект будет отделять жидкость от сжатого газа на стороне 9b выпуска роторов 6a, 6b.
Сжатый воздух может затем выходить из машины 1 через выпускное отверстие 4.
Упомянутая жидкость может представлять собой как воду, так и синтетическое или несинтетическое масло.
В примере на фиг. 1-5 жидкость охлаждается за счет того, что каналы 20 для жидкости продолжаются через охлаждающие ребра 23. Охлаждающие ребра 23 охлаждаются воздухом, и, в свою очередь, будут отводить тепло от жидкости, текущей через охлаждающие ребра.
Также возможно, что охлаждающие ребра 23 не будут обеспечены, но, в качестве альтернативы, каналы 20 для жидкости по меньшей мере частично продолжаются через трубку 24 для жидкости, установленную на поверхности наружного ротора 6a.
На фиг. 6 показана такая трубка 24 для жидкости, при этом трубка имеет криволинейную форму, чтобы установить компактным образом на наружном роторе 6a трубку максимально возможной длины. Очевидно, что изобретение не ограничивает точную форму трубки 24 для жидкости, и могут быть придуманы другие формы, обеспечивающие такой же результат.
Трубка 24 для жидкости охлаждается воздухом таким же образом, как и охлаждающие ребра 23.
На фиг. 7 иллюстрируется альтернатива для варианта осуществления на фиг. 2 и фиг. 3.
Здесь наружный ротор 6a имеет участок 25 с коническим поперечным сечением, который соединен с осевым продолжением 17.
На фиг. 7 внутренний ротор 6b и наружный ротор 6a имеют коническую форму, так что участок наружного ротора 6a, который соединен с осевым продолжением 17, образует упомянутый конический участок 25.
Если наружный ротор 6a не имеет коническую форму, вместо этого участок осевого продолжения 17 может иметь коническую форму.
Далее, корпус 2 имеет соответствующее продолжение 18, которое установлено поверх или вокруг осевого продолжения 17 наружного ротора 6a и по меньшей мере частично поверх или вокруг конического участка 25 наружного ротора 6a, при этом имеется пространство 19 между продолжением 18 корпуса 2 с одной стороны и осевым продолжением 17 наружного ротора 6a и коническим участком 25 с другой стороны.
Важно, чтобы корпус 2 нигде не соприкасался с наружным ротором 6a.
В осевом продолжении 17 и/или в коническом участке 25 обеспечен канал 20 для жидкости, который оканчивается в упомянутом пространстве 19.
Во время работы машины 1 в пространство 19 снова будет поступать жидкость, которая может впрыскиваться обратно в машину 1 через канал 20 для жидкости.
Такая конфигурация создаст конический осевой подшипник скольжения с радиальным подшипником скольжения.
В результате подшипник 10 не только разгрузится, а его даже можно убрать, как схематически показано на фиг. 8, где иллюстрируется вариация области, указанной на фиг. 1 как F8.
Далее, на фиг. 8 наружный ротор 6a имеет охлаждающие ребра 23, установленные на поверхности самого наружного ротора 6a, и, следовательно, не на осевом продолжении 17, как на фиг. 1.
Кроме того, наружный ротор 6a имеет открытую конструкцию с проходами 26 для всасываемого воздуха, так что газ, который всасывается через впускное отверстие 3, должен проходить через проходы 26 перед тем, как он поступит между внутренним ротором 6b и наружным ротором 6a на стороне 9a впуска роторов 6a, 6b.
Преимуществом этого является то, что магниты 16 активно охлаждаются втекающим газом. Кроме того, в статоре 15 двигателя не требуются какие-либо щели для обеспечения возможности прохождения воздуха через него от впускного отверстия 3 к стороне 9a впуска роторов 6a, 6b.
Дополнительно, но не обязательно, наружный ротор 6a имеет осевой вентилятор 27 на уровне впускного отверстия 3 в виде лопастей, установленных в открытой конструкции.
Это будет способствовать всасыванию газа и повышению давления, так что получают более хорошую степень заполнения камеры 8 сжатия.
На фиг. 9 показан другой дополнительный элемент, который может быть обеспечен во всех упомянутых вариантах осуществления. Он относится к средствам для получения предварительного отделения жидкости, т.е. перед отделением, которое происходит на уровне выпускного отверстия 4.
Для этого внутренний ротор 6b, на уровне конца внутреннего ротора 6b на стороне 9b выпуска, имеет лопасти 28, вдоль которых газ проходит перед тем, как он выходит из машины 1 через выпускное отверстие 4.
Не исключено, что лопасти 4 будут обеспечены на наружном роторе 6a, или что как наружный ротор 6a, так и внутренний ротор 6b будут обеспечены такими лопастями 28.
Благодаря их вращению лопасти 28 будут еще больше усиливать и поддерживать отделение, так что общая эффективность отделения или общее количество отделенной жидкости будет выше.
В качестве альтернативы или дополнительно к упомянутым каналам 20 для жидкости также возможно, что по меньшей мере часть отделенной жидкости собирают в резервуар, расположенный под наружным ротором 6a в корпусе 2.
В этом случае часть отделенной жидкости или вся отделенная жидкость может течь вниз через пространства 19 к резервуару, вместо поступления в каналы 20.
Наружный ротор 6a при этом обеспечен одним или более ориентированными радиально пальцами, ребрами или т.п. вдоль наружной поверхности на стороне 9a впуска.
Это выполнено таким образом, что во время вращения наружного ротора 6a упомянутые пальцы движутся через жидкость в резервуаре и тем самым перемещают и переносят жидкость таким образом, что жидкость может снова поступить в машину 1.
Это представляет собой так называемую смазку «разбрызгиванием», в которой перемещаемая жидкость поступает на сторону 9a впуска между роторами.
На наружной стороне корпуса 2 на уровне резервуара могут быть предусмотрены охлаждающие ребра, что обеспечит возможность охлаждения жидкости в резервуаре.
Настоящее изобретение не ограничивается каким-либо образом вариантами осуществления, описываемыми в качестве примера и иллюстрируемыми на чертежах, и цилиндрическая симметричная объемная машина в соответствии с изобретением может быть реализована в любых формах и размерах, не выходя за пределы объема изобретения.