СПИРАЛЬНАЯ МАШИНА
SPIRAL MACHINE

Изобретение относится к области вакуумного машиностроения и компрессоростроения и может быть использовано в спиральных вакуумных насосах, воздушных и холодильных компрессорных машинах.
Одной из задач при проектировании спиральных машин является снижение остаточного давления, что может быть достигнуто уменьшением величины радиального зазора между подвижным и неподвижным спиральными элементами. Однако слишком малый зазор может привести к задеванию или заклиниванию спиральных элементов вследствие неточности изготовления, тепловых и силовых деформаций.
Известна спиральная машина, содержащая пару спиральных элементов с выступающими из них спиралями, имеющими постоянную толщину. При этом сумма толщин спиралей постоянная (патент US 4834633, F04C 18/02, B23F 15/06, опубл. 1989). Данная конструкция позволяет устранить задевания спиралей, которые могут возникнуть из-за неточности изготовления. Однако в ней не учитывается изменение зазора, возникшее вследствие тепловых деформаций.
Известна спиральная машина (патент US 6224357, F01C 21/10, F04C 18/02, опубл. 01.05.2001) в которой существует механизм проворота спиралей относительно друг друга, при этом зазор между внешней стенкой подвижной спирали и внутренней стенкой неподвижной увеличивается, а между внутренней стенкой подвижной спирали и внешней стенкой неподвижной уменьшается на одинаковую величину. За счет этого компенсируется тепловое расширение спиралей. Однако в центре тепловое расширение ниже, чем на периферии, поэтому в центральной части спирали образуются большие зазоры, что вызывает увеличение обратных перетеканий и потери производительности.
В качестве прототипа выбрана спиральная машина (патент US 6345967, F04C 18/02, опубл. 12.02.2002), содержащая подвижный спиральный элемент, имеющий торцевую пластину с выступающей перпендикулярно из нее в осевом направлении спиралью, имеющей возможность движения без проворота вокруг своей оси; неподвижный спиральный элемент, имеющий торцевую пластину со спиралью на торце, таким образом, что движение в осевом направлении ограничено; кривошипно-шатунный механизм с фиксированным эксцентриситетом, придающий орбитальное движение подвижному спиральному элементу, при котором происходит уменьшение или расширение объема, образованного витками подвижного и неподвижного спиральных элементов; зазоры между боковыми поверхностями, образованными витками спиралей сформированы так, чтобы в центральной части спиралей быть меньше, чем в периферийной части.
Недостатком прототипа является относительно высокое остаточное давление. При работе машины вследствие различных условий охлаждения температура подвижного спирального элемента будет выше, чем у неподвижного. Поэтому при тепловом расширении уменьшение зазора между внешней стенкой подвижной спирали и внутренней стенкой неподвижной компенсируется конструкцией прототипа, а зазор между внутренней стенкой подвижной спирали и внешней стенкой неподвижной спирали увеличивается, что приведет к повышению остаточного давления.
Задачей изобретения является снижение остаточного давления за счет изменения величин зазоров с учетом теплового расширения спиралей.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в спиральной машине, содержащей пару спиральных элементов, каждый из которых включает торцевой диск с выступающей перпендикулярно из него в осевом направлении эвольвентной спиралью, один из спиральных элементов выполнен с возможностью движения с эксцентриситетом е относительно другого, выполненного неподвижным, спиральные элементы в сборе образуют, по крайней мере, пару замкнутых пространств между собой, зазор между внешней стенкой подвижной спирали и внутренней стенкой неподвижной сформирован так, чтобы в центральной части спирали быть меньше, чем в периферийной части, согласно изобретению эвольвентные спирали выполнены с разными радиусами базовой окружности таким образом, что зазор между внешней стенкой подвижной спирали и внутренней стенкой неподвижной равномерно увеличивается, а между внутренней стенкой подвижной спирали и внешней стенкой неподвижной равномерно уменьшается от центра к периферии.
Техническим результатом является снижение остаточного давления минимум в 2 раза.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг. 1 показана схема предлагаемой спиральной машины, в которой неподвижный спиральный элемент составляет с корпусом единое целое.
На фиг. 2 показаны спирали подвижного и неподвижного спирального элемента, собранные с нулевым эксцентриситетом вала.
Спиральная машина содержит неподвижный спиральный элемент, составляющий с корпусом единое целое 1 (фиг. 1). Подвижный спиральный элемент 2 состоит из торцевого диска и спирали. Свободными концами спирали вставлены одна в другую. На торцах спиралей расположены торцевые уплотнители 3, которые практически упираются в поверхности торцевых дисков ответных спиральных элементов, снижая тем самым обратные перетекания через торцевой зазор. В качестве базовой кривой спиралей используется эвольвента. Подвижный спиральный элемент насажен на эксцентриковый вал 4 и совершает орбитальное движение относительно неподвижной спирали. Для устранения дисбаланса на эксцентриковом валу также размещен балансир 5.
В корпусе со стороны подвижного спирального элемента 2 установлено противоповоротное устройство 6 для предотвращения поворота подвижного спирального элемента 2 относительно его геометрической оси. В верхней части корпуса в секторе между концами спиралей расположен всасывающий патрубок 7, а в центре цилиндрической расточки корпуса выполнено отверстие нагнетания 8.
Спиральная машина работает следующим образом. Всасывание осуществляется через патрубок 7. При орбитальном движении подвижного спирального элемента 2 относительно неподвижной спирали (корпуса) 1 между спиралями образуются две замкнутые полости. Сжатие и перемещение газа со стороны всасывания в сторону нагнетания происходит благодаря уменьшению объемов замкнутых полостей. В определенный момент происходит объединение замкнутых полостей друг с другом и вытеснение сжимаемой среды через отверстие нагнетания 8.
1
2
Подвод тепла к спиральным элементам осуществляется от сжимаемого газа, трения в подшипниках 9 и торцевых уплотнениях 3. При этом с тыльной стороны торцевого диска неподвижного спирального элемента, являющегося частью корпуса 1, осуществляется интенсивный теплоотвод за счет обдува. В то же время подвижный спиральный элемент 2 изолирован от внешней среды и теплоотвод от него ограничен, особенно в условиях низкого давления за счет снижения коэффициента теплопроводности. При продолжительной работе температура подвижного спирального элемента становится выше, чем неподвижного. Поэтому величина теплового расширения подвижного спирального элемента будет больше, чем неподвижного, при этом в центре спиралей величина теплового расширения будет меньше, чем на периферии (см. фиг. 2, где подвижная спираль до нагрева показана жирной линией, после нагрева - тонкой линией). Отсюда следует, что зазор δ между внешней стенкой 10 подвижной спирали и внутренней стенкой неподвижной спирали будет равномерно уменьшаться от центра к периферии, а зазор δ между внутренней стенкой 11 подвижной спирали и внешней стенкой неподвижной спирали будет равномерно увеличиваться. Это компенсируется тем, что в предлагаемой спиральной машине эвольвентные спирали выполнены с разными радиусами базовой окружности таким образом, что зазор между внешней стенкой подвижной спирали и внутренней стенкой неподвижной равномерно увеличивается, а между внутренней стенкой подвижной спирали и внешней стенкой неподвижной равномерно уменьшается от центра к периферии.
В прототипе не учитывается различие в температурах подвижного и неподвижного спиральных элементов. Величины обоих зазоров увеличиваются от центральной части спиралей к периферийной. В процессе работы машины из-за разности температур спиралей это приведет к еще большему росту зазора между внутренней стенкой подвижной спирали и внешней стенкой неподвижной на периферии, следовательно, к потерям производительности и росту остаточного давления. В предложенной конструкции происходит уменьшение этого зазора, поэтому при работе машины вследствие нагрева величина зазора периферии становится равной величине зазора в центре и роста остаточного давления не происходит.
В предлагаемой конструкции зазоры изменяются равномерно от центра к периферии, что увеличивает плавность хода машины и упрощает изготовление спиральных элементов.
S
R
S
R
1
S
R
0
0
2
0
При работе машины происходит орбитальное движение подвижной спирали относительно неподвижной с эксцентриситетом е. При этом не должно происходить задевания спиралей. Тепловые деформации спиральных элементов можно выразить формулой ΔR=Rα(ΔT), где R - расстояние от центра спирали до произвольной точки на спирали, α - коэффициент линейного расширения материала, ΔT - величина изменения температуры спиральных элементов. При использовании материалов с высоким коэффициентом теплопроводности температуру элементов можно считать постоянной по всей спирали. Тогда изменение зазора между внешней стенкой подвижной спирали и внутренней стенкой неподвижной спирали можно вычислить по формуле Δδ=Rα(ΔT-ΔT), где ΔT и ΔT - величина изменения температуры неподвижной и подвижной спиралей соответственно. Для того чтобы избежать задевания спиралей при тепловой деформации, величина зазора δ между внешней стенкой подвижной спирали и внутренней стенкой неподвижной спирали не должна быть меньше Rα(ΔT-ΔT)+δ, где δ - величина зазора в центре спирали. Величина зазора δ между внутренней стенкой подвижной спирали и внешней стенкой неподвижной спирали не должна быть меньше 0,6 δ, чтобы не происходило задеваний в начале работы машины, когда температуры спиралей близки.
Таким образом, предлагаемая спиральная машина по сравнению с прототипом обеспечивает снижение остаточного давления минимум в 2 раза.