РОТОРНАЯ МАШИНА ОБЪЕМНОГО ВЫТЕСНЕНИЯ
POSITIVE DISPLACEMENT ROTOR MACHINE

Изобретения относится к области транспортирования жидких и газообразных сред, а именно к роторным машинам объемного вытеснения с вращающимися рабочими органами, и может быть использовано в производстве насосов, компрессоров, гидромоторов, пневмодвигателей и детандеров.
Ротационно-пластинчатые машины широко известны в технике и столь же широко описаны в литературе. Традиционная конструкция включает в себя корпус, вращающийся на установленных в крышках корпуса опорах качения и ротор с плоскими пластинами. Пластины размещены в прорезях ротора с возможностью продольного перемещения под действием центробежной силы. Ось корпуса и ось вращения ротора при этом размещены с эксцентриситетом (см., например, Н.Д. Кочетков «Холодильная техника», М., Машиностроение, 1966 г., стр.120-124; Н.И.Гельперин «Основные процессы и аппараты химической технологии», М., Химия, 1981 г., книга 1, стр.160-161).
Известна роторно-пластинчатая машина, внутри корпуса которой установлен с возможностью вращения на опорах качения статор (см. патент RU №2146338 «Роторно-пластинчатая машина», опубликовано - 10.03.2000 г.). Ротор снабжен кольцами, размещенными в кольцевых пазах на его торцевых поверхностях с возможностью перемещения в радиальных направлениях. Роторно-пластинчатая машина по указанному изобретению отличается большей надежностью против традиционной конструкции и снижением затрат на трение, благодаря вращению статора. К недостаткам изобретения по патенту RU №2146338 следует отнести практическую невозможность изготовления достаточно производительных аппаратов из-за необходимости использования крупногабаритных опор качения статора. Это увеличивает в значительной мере стоимость машины и затраты энергии. Увеличение производительности исключено и по причине размещения отверстий для подвода и вывода транспортируемой среды через торцевые стенки, что ограничивает проходной диаметр штуцеров и не позволяет использовать штуцера нужных размеров. В данной роторно-лопастной машине не исключены затраты энергии на трение пластин о боковые стенки.
Наиболее близкой к настоящему изобретению является роторная машина объемного вытеснения по патенту US №4118160 от 03 октября 1978 года. В данном патенте предусмотрен совершенно иной принцип конструирования и работы лопастей. Лопасти выполнены в виде профильных элементов, имеющих цилиндрическое основание, размещенное в цилиндрических выточках и снабженное полуосями для связи со стабилизирующими работу лопасти деталями. Цилиндрическое основание лопасти, а соответственно, и собственно лопасть имеет возможность поворота под действием центробежной силы. В данном патенте исключены плоские прорези в роторе и продольное перемещение пластин в них. К недостаткам этого изобретения относится наличие повышенного трения между торцами пластин и боковыми стенками, а также между собственно пластиной и корпусом, что приводит к излишним затратам энергии и снижению надежности машины. В машине по данному изобретению использованы сложные устройства для стабилизации работы пластин. Не представляется целесообразной и сама конструкция лопастей.
Техническая задача настоящего изобретения состоит в создании более совершенного типа роторной машины объемного вытеснения.
Технический результат настоящего изобретения состоит в упрощении конструкции, снижении энергетических затрат, увеличении надежности работы роторной машины, в возможности применения заявляемой конструкции для создания машин любой производительности.
Для получения указанного технического результата в роторной машине объемного вытеснения, содержащей корпус с крышками и штуцерами для подвода и вывода транспортируемой среды, размещенный в корпусе ротор, ось вращения которого имеет эксцентриситет по отношению к оси корпуса, причем ротор снабжен валом с установленными в крышках опорами качения и размещенными по образующим цилиндрическими выточками, в которых установлены с возможностью поворота цилиндрические основания с присоединенными к ним профилированными лопастями, каждая лопасть выполнена в виде состоящей из двух частей изогнутой пластины, причем соединенная с цилиндрическим основанием первая часть лопасти установлена радиально к нему, а последующая вторая часть - выполнена дугообразной, цилиндрические основания лопастей снабжены центральным отверстием, расположенными по торцам основания радиальными прорезями и пропущенными через центральные отверстия торсионами в виде круглого прутка, один из размещенных в прорезях цилиндрических оснований концов которых загнут под углом 90° и закреплен в проточках на боковой поверхности ротора, а другой конец торсиона установлен в прорези на противоположном конце основания и загнут с размещением вдоль части лопасти, соединенной с ее цилиндрическим основанием, причем в роторе в зоне цилиндрических выточек выполнены секторные вырезы. Внутри корпуса размещен установленный с возможностью вращения статор, ось вращения статора совпадает с осью корпуса, крышки корпуса снабжены цилиндрическим утолщением в центральной части, опоры качения вала ротора установлены в зоне утолщений, опоры качения статора размещены на наружной поверхности утолщений, а собственно статор выполнен в виде двух установленных с разрывом полумуфт с наружным выступом в виде цилиндра с центральным отверстием, диаметр которого равен наружному диаметру опоры качения статора, причем в теле корпуса по его внутренней поверхности между полумуфтами выбраны две полости, в зоне которых размещены штуцера для подвода и вывода транспортируемой среды. Наружный диаметр дугообразной части лопастей равен внутреннему диаметру корпуса. При установке вращающегося статора наружный диаметр дугообразной части лопастей равен внутреннему диаметру статора. Сущность настоящего изобретения состоит в следующем.
Роторная машина по патенту US №4118160, в которой применен иной принцип конструкции и работы лопастей по сравнению с широко известными машинами с продольными прорезями в роторе, принципиально не может быть применена для создания многокамерного аппарата со значительной производительностью. Увеличение числа лопастей при описанной конструкции возможно лишь при весьма малом различии между диаметрами статора и ротора. Заявляемая в настоящем изобретении роторная машина лишена этого недостатка за счет специальной конструкции лопасти при одновременном сохранении преимуществ основного воздействия на лопасть центробежной силы с ее поворотом, а не продольным перемещением в роторе. В настоящем изобретении в роторе отсутствуют специальные выборки для размещения в них лопастей при их прижатии к поверхности ротора. Этим обеспечивается упрощение конструкции и изготовления собственно ротора.
Установка торсионов исключает конструктивные усложнения для стабилизации работы лопасти и увеличения надежности работы машины.
Установка с возможностью вращения статора и конструкция последнего позволяет практически исключить трение лопастей о цилиндрическую внутреннюю поверхность статора, сведенную до минимальной величины, и об его боковые поверхности. Этому способствует выполнение статора в виде двух установленных с разрывом полумуфт.
Выполнение крышек корпуса с цилиндрическим утолщением в центральной части и оснащение полумуфт статора наружным выступом с центральным отверстием позволяет минимизировать размеры опор качения статора, исключая использование весьма крупногабаритных опор качения, присущих конструкции роторно-пластинчатой машины по патенту RU №2146338.
Технические преимущества предлагаемой конструкции далее будут подробно изложены при описании конструкции роторной машины объемного вытеснения по настоящему изобретению и ее работы.
На фиг.1 изображена конструкция роторной машины объемного вытеснения.
На фиг.2 показан разрез Б-Б на фиг.1.
На фиг.3 - вид I на фиг.2.
На фиг.4 - разрез А-А на фиг.3.
Роторная машина включает в себя корпус 1 и установленные с возможностью вращения статор 2 и ротор 3. Ось вращения статора 2 совпадает с центральной осью корпуса 1. Ось вращения ротора 3 размещена с эксцентриситетом по отношению к оси корпуса 1. Корпус 1 имеет крышки 4 с цилиндрическими утолщениями 5 в центральной части. Опоры качения 6 ротора 3 размещены в цилиндрических утолщениях 5 крышек 4. На наружной поверхности цилиндрических утолщений 5 установлены опоры качения 7 статора 2. Статор 2 выполнен в виде двух установленных с разрывом полумуфт 8 и 9, каждая из которых снабжена наружным выступом 10 в виде цилиндра с центральным отверстием, диаметр которого равен наружному диаметру опоры качения 7 статора 2. Таким образом, опоры качения 7 статора 2 размещены в зазоре, образованном наружной поверхностью цилиндрического утолщения 5 и внутренней поверхностью центрального отверстия наружного выступа 10. В теле корпуса 1 выбраны две полости 11 и 12, в зоне которых, соответственно, размещены штуцер 13 для подвода и штуцер 14 для вывода транспортируемой среды. Ротор 3 имеет цилиндрические выточки 15. В цилиндрических выточках 15 установлены цилиндрические основания 16, к которым присоединены профилированные лопасти 17. Каждая профилированная лопасть 17 выполнена в виде состоящей из двух частей изогнутой пластины. Первая часть 18 лопасти 17, непосредственно соединенная с цилиндрическим основанием 16, установлена радиально к нему. Вторая часть 19 лопасти 17 выполнена дугообразной. С учетом того, что на фиг.1 изображена конструкция роторной машины с вращающимся статором 2, наружный диаметр второй дугообразной части 19 лопасти 17 равен внутреннему диаметру статора 2. Следует особо оговорить, что в соответствии с настоящим изобретением роторная машина может быть выполнена без вращающегося статора, причем в этом случае наружный диаметр второй дугообразной части лопасти равен внутреннему диаметру корпуса. Цилиндрические основания 16 лопастей 17 снабжены центральными отверстиями, в которых вставлены торсионы 20. Цилиндрические основания 16 имеют на торцах радиальные прорези 21 и 22. Торсион 20 выполнен в виде круглого прутка. Один из концов 23 торсиона 20 загнут под углом 90°, размещен в прорези 21 и закреплен в проточке на боковой поверхности ротора 3. Другой конец 24 торсиона 20 проходит через прорезь 22 и размещен вдоль первой части 18 лопасти 17. В роторе 3 в зоне цилиндрических выточек 15 выполнены секторные вырезы 25. Ротор 3 снабжен валом 26, для вращения которого вместе с ротором 3 служат опоры качения 6. Машина в необходимых местах имеет уплотнения 27.
Роторная машина объемного вытеснения по настоящему изобретению работает следующим образом.
При вращении ротора 3 под действием центробежной силы происходит поворот профилированных лопастей 17, благодаря размещению их цилиндрических оснований 16 в цилиндрических выточках 15 ротора 3. Поскольку ось вращения статора 2 совпадает с центральной осью корпуса 1, а ось вращения ротора 3 размещена с эксцентриситетом по отношению к оси корпуса 1, лопасти 17 по мере вращения ротора 3 изменяют за счет поворота свое положение относительно ротора 3, статора 2 и соответственно корпуса 1. В соответствии с этим изменяется межлопастной объем от максимальной величины на стороне всасывания транспортируемой среды до минимальной величины на стороне ее вывода из машины. Изготовление лопасти 17 из двух частей 18 и 19 и наличие секторных вырезов 25 позволяет оптимизировать число лопастей 17 и в значительной мере упростить их изготовление. Пропущенный через центральное отверстие в цилиндрическом основании 16 торсион 20 работает по известному принципу скручивания. Поскольку один конец 23 торсиона 20 загнут под углом 90°, проходит через радиальную прорезь 21 на торце цилиндрических оснований 16 и закреплен в проточке на боковой поверхности ротора 3, указанный конец 23 неподвижен при вращении ротора 3. Другой конец 24 торсиона 20 проходит через радиальную прорезь 22 на другом торце цилиндрического основания 16 и касается первой части 18 лопасти 17. При вращении ротора 3 поворот лопасти 17 приводит к скручиванию тела торсиона 20. При этом проявляются пружинящие свойства металла, из которого изготовлен торсион 20, и обеспечивается постоянный прижим лопасти 17 к поверхности статора 2 без установки каких-либо специальных приспособлений и устройств, не отличающихся надежностью. При вращении ротора 3 и уменьшении межлопастного объема происходит постепенное прижатие лопасти 17 к поверхности ротора 3 вплоть до практически полного касания второй части 19 лопасти 17 и поверхности ротора 3. Вращение ротора 3 осуществляется с помощью двигателя известного типа (на фиг.1 не показан) при наличии обычной пары - вала 26 и опоры качения 6. Рациональная конструкция машины также определяется наличием у корпуса 1 крышек 4 с цилиндрическими утолщениями 5 в центральной части. При этом опоры качения 6 размещают в утолщении 5, а опоры качения 7 статора 2 - на внешней поверхности утолщения 5. Статор 2, выполненный из двух полумуфт 8 и 9, приводится во вращение силой трения между лопастями 17 внутренней, весьма сокращенной, благодаря разрыву между полумуфтами, поверхностью статора 2 и силой трения между боковыми поверхностями полумуфт 8 и 9 и лопастей 17. Благодаря вращению статора 2 затраты энергии на преодоление трения составляют значительно меньшую величину против той, которая бы потребовалась при отсутствии вращающегося статора 2 и конструктивном изготовлении машины только с наличием ротора и корпуса. Сведение до приемлемых и достаточно малых размеров опор качения 7 статора 2 обеспечивается тем, что полумуфты 8 и 9 снабжены наружным выступом 10 в виде цилиндра с центральным отверстием, диаметр которого равен наружному диаметру опоры качения 7. Всасывание транспортируемой среды осуществляют через штуцер 13, расположенный в районе выбранной в теле корпуса полости 11. Нагнетание транспортируемой среды осуществляют через штуцер 14, расположенный в районе выбранной в теле корпуса полости 12. Для исключения вредного перетекания транспортируемой среды машина снабжена уплотнениями 27.
Описание конструкции роторной машины и ее работы свидетельствует о достижении заявленного технического результата:
- упрощена конструкция и снижен вес машины при равных производительностях, благодаря целесообразной форме лопастей и установленного с возможностью вращения статора, размещению штуцеров на цилиндрической, а не торцевой поверхности корпуса, возможности использования опор качения статора малого размера, установке торсионов, а не сложных конструктивных элементов, служащих для стабилизации работы лопастей;
- снижены энергетические затраты, благодаря минимизации сил трения до величины, необходимой и достаточной для приведения во вращение статора машины;
- увеличена надежность работы, благодаря изменению принципа стабилизации работы лопастей и применению торсионов, улучшению условий вращения статора;
- увеличен диапазон производительности машины, благодаря не только описанным выше изменениям, но и возможности увеличения проходного сечения штуцеров, связанной с изменением места их привязки.