РОТАЦИОННЫЙ КОМПРЕССОР

Настоящая полезная модель относится к пластинчатым ротационным компрессорам с непрерывной подачей газа и может быть использована в кондиционерах, теплонасосных установках, компьютерах, а также на транспортных средствах, например, на железнодорожном транспорте, в автомобилестроении, в авиации.
Известные пластинчатые ротационные компрессоры, например [1], имеют достаточно схожие конструкции. Сжатие газа в известных устройствах происходит при вращении ротора с барабаном, эксцентрично расположенного относительно обечайки корпуса компрессора. В пазах барабана ротора устанавливаются плоские пластины - лопатки. Основным недостатком известных устройств является высокий износ лопаток, а также высокий уровень потерь мощности на трение лопаток об обечайку корпуса и барабан ротора.
Так, например, известно устройство, пластинчатый ротационный компрессор, состоящий из цилиндрического корпуса, ротора с барабаном и лопаток в виде пластин, которые свободно перемещаются в пазах барабана ротора [2]. Барабан ротора размещен эксцентрично относительно обечайки корпуса таким образом, что барабан ротора касается обечайки корпуса в верхней ее точке. Газ поступает во входное окно, сжимается при вращении ротора и выпускается через выходное окно. Недостатком известного устройства являются потери мощности на трение между торцами лопаток и обечайкой корпуса, а также потери на трение в пазах барабана ротора между внутренней поверхностью пазов и внешней поверхностью лопаток в их
контактных зонах при перемещении лопаток в пазах барабана ротора. К недостаткам следует отнести также потери давления из-за перетечек газа между барабаном ротора и обечайкой корпуса, и между барабаном ротора и лопатками. Указанные недостатки снижают эффективность работы известного устройства.
Прототипом предлагаемого устройства является пластинчатый ротационный компрессор [3], состоящий из корпуса, на обечайке или на торцах которого расположены окна, входное и выходное, ротора с барабаном, который эксцентрично размещен в корпусе и не касается обечайки корпуса, и лопаток в виде плоских пластин, которые вставлены в пазы барабана ротора. Недостатками устройства по прототипу, связанные с его конструкцией, являются потери мощности на трение и потери давления от перетекания газа, которые снижают эффективность работы компрессора. К недостаткам следует отнести также значительные напряжения на изгиб, которым подвергаются лопатки, находясь в пазах ротора, что приводит к износу как лопаток, так и барабана ротора и снижает срок службы компрессора.
В связи с указанными недостатками устройства по прототипу существует задача создания более эффективного устройства, имеющего более высокие эксплуатационные характеристики, чем устройство по прототипу.
Поставленная задача решается следующим образом.
В известном устройстве, ротационном компрессоре, включающем корпус, имеющий окна, входное и выходное, расположенные на его обечайке и/или на его торцах, ротор с барабаном, эксцентрично размещенный в корпусе, и лопатки в виде пластин, установленные на барабане ротора, лопатки
закреплены на поверхности барабана ротора с помощью шарниров, например, цилиндрических шарниров.
В некоторых случаях, лопатки выполнены в виде криволинейных пластин.
В некоторых случаях лопатки выполнены в виде ступенчатых пластин, например, Z-образных, в частности, с возможностью движения, по меньшей мере, одной ступени.
В некоторых случаях на поверхности барабана ротора выполнены выступы.
При этом в некоторых случаях входное и/или выходное окно выполнено с переменной площадью, например, с площадью входного окна, увеличивающейся в направлении вращения ротора, и/или с площадью выходного окна, увеличивающейся в направлении, противоположном направлению вращения ротора.
Технический результат от применения предлагаемого устройства состоит в улучшении эксплуатационных характеристик предлагаемого устройства и в повышении эффективности его применения по сравнению с устройством по прототипу.
Указанный результат достигается закреплением лопаток на барабане ротора с помощью шарниров, например, цилиндрических. При этом снижаются потери на трение торцов лопаток об обечайку корпуса за счет большей подвижности лопаток по сравнению с устройством по прототипу. Указанный результат достигается исключением потерь на трение лопаток в пазах барабана ротора и исключением изгибных напряжений в контактных зонах лопаток, что увеличивает срок службы предлагаемого устройства по сравнению с прототипом. Указанный технический результат достигается путем уменьшения перетечек между барабаном ротора и обечайкой корпуса,
благодаря уплотнению контакта между лопатками и обечайкой корпуса за счет возможности изменения угла касания лопаток обечайки корпуса при вращении барабана ротора по сравнению с устройством по прототипу. Указанный результат достигается также путем исключения перетечек между лопатками и барабаном ротора за счет использования шарниров для закрепления лопаток вместо пазов ротора, как это имеет место в устройстве по прототипу.
При этом в некоторых случаях указанный результат достигается при выполнении лопаток в виде криволинейных пластин. При этом потери мощности на трение за счет изменяющегося угла касания лопаток обечайки корпуса при вращении барабана ротора и потери давления на перетечку газа за счет большего уплотнения контакта лопатки и обечайки корпуса ниже, чем у плоских лопаток. Оптимальная геометрия лопаток выбирается исходя из условий работы компрессора.
В некоторых случаях указанный результат достигается при выполнении лопаток в виде ступенчатых пластин, например Z-образных, и, в частности, с, по меньшей мере, одной подвижной ступенью, так как при этом повышается эффективность работы компрессора за счет увеличения рабочей площади лопаток. Выполнение ступенчатых лопаток подвижными и, в частности, складывающимися, позволяет варьировать рабочую площадь лопаток, что расширяет возможность применения предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.
В некоторых случаях, указанный результат достигается при выполнении выступов на поверхности барабана ротора, которые образуют необходимые полости для лопаток, например, малой
рабочей длины, что также расширяет возможность применения предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.
В некоторых случаях указанный результат достигается выполнением входного и/или выходного окна переменной площади, причем изменение площади осуществляется либо непрерывно, либо дискретно во времени. При этом предлагаемое устройство получает возможность работы на переменных режимах сжатия газа, что улучшает его эксплуатационные характеристики по сравнению с устройством по прототипу.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами фиг.1, фиг.2, фиг.3 и фиг.4. На чертежах схематически изображено: на фиг.1 - поперечное сечение компрессора с плоскими лопатками; на фиг.2 - поперечное сечение компрессора с криволинейными лопатками (местный разрез); на фиг.3 - поперечное сечение компрессора со ступенчатыми лопатками (местный разрез); на фиг.4 - поперечное сечение компрессора с выступами на роторе (местный разрез).
На чертежах показано: 1 - обечайка корпуса; 2 - барабан ротора; 3 - лопатка; 4 - входное окно; 5 - выходное окно; 6 - шарнир; 7 - выступ на барабане ротора.
Сущность предлагаемого устройства заключается в следующем.
Ротационный компрессор состоит из корпуса 1, ротора с барабаном 2 и лопаток 3, закрепленных на барабане ротора 2. Корпус 1 имеет, как правило, цилиндрическую форму. На обечайке корпуса 1 и/или на его торцевых сторонах выполняются окна: входное 4 и выходное 5. Барабан ротора 2 устанавливается эксцентрично относительно обечайки корпуса 1. Лопатки 3
закрепляются на барабане ротора 2 с помощью шарниров 6, например, с помощью цилиндрических шарниров. Лопатки 3 выполняются в виде плоских пластин, как показано на фиг.1, в виде криволинейных пластин - фиг.2 или они выполняются в виде плоских ступеней, например, Z-образными и/или подвижными, в частности, складывающимися - фиг.3. Геометрия, размеры и масса лопаток 3 зависят от размеров корпуса 1 и барабана ротора 2, а также от частоты вращения ротора 2 и от рабочего давления таким образом, чтобы минимизировать перетечку газа и снизить нагрузку на лопатки 3. Лопатки 3, закрепленные с помощью шарниров 6 на барабане ротора 2, при вращении ротора имеют потери на трение только при соприкосновении с обечайкой корпуса 1, в отличие от устройства по прототипу, в котором имеются потери на трение в пазах барабана ротора. Шарнирное закрепление лопаток 3 и разнообразная их геометрия позволяют лопаткам 3 выдерживать повышенные нагрузки по сравнению с устройством по прототипу. В некоторых случаях, например, при малой длине лопаток 3, на барабане ротора 2 выполняются выступы 7, с высотой в радиальном направлении, например, не менее толщины лопаток 3, что позволяет уменьшить величины рабочих объемов компрессора. В некоторых случаях, например для переменных режимов работы, предлагаемое устройство выполняется с переменной площадью входного 4 и/или выходного 5 окна. Причем изменение площади окон 4 и/или 5 производится дискретно или непрерывно в зависимости от условий работы компрессора. При этом, например, площадь входного окна 4 увеличивается в направлении вращения барабана ротора 2, а площадь выходного окна 4 увеличивается в направлении противоположном направлению вращения барабана ротора 2.
Таким образом, различные конструкции предлагаемого устройства позволяют расширить его эффективное использование в разнообразных режимах работы по сравнению с устройством по прототипу.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При вращении барабана ротора 2 лопатки 3, закрепленные в шарнирах 6 на барабане ротора 2, под действием центробежной силы плотно прижимаются к обечайке корпуса 1, разделяя пространство между барабаном ротора и корпусом на несколько неравных рабочих объемов. Газ поступает через входное окно 4, заполняет соответствующий рабочий объем, который при вращении эксцентрично расположенного барабана ротора 2 уменьшается, а газ, находящийся в указанном объеме сжимается. Геометрические размеры каждого объема обеспечивают выполнение следующего условия: сумма действующих на каждую лопатку 3 моментов центробежных сил относительно оси шарнира 6, на котором закреплена лопатка 3, должна превышать сумму моментов сил давления сжимаемого газа на лопатку 3 относительно оси шарнира 6 на величину необходимую и достаточную для минимизации перетечки сжимаемого газа. Выпуск сжатого газа производится через выходное окно 5. Входное окно 4 может изменяться за счет подвижной выходной стенки, а выходное окно 5 - за счет подвижной входной стенки, что позволяет предлагаемому устройству работать на переменных режимах сжатия газа.
ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
1. Был изготовлен пластинчатый ротационный компрессор, идентичный устройству по прототипу, но барабан ротора в нем выполнили без пазов для лопаток. На месте пазов закрепили цилиндрические шарниры с лопатками. Были проведены рабочие эксперименты с лопатками в виде плоских пластин, в виде криволинейных пластин и в виде ступенчатых пластин. Эксперименты показали, что потери потребляемой компрессором мощности на трение и на перетечку газа при работе предлагаемого устройства снизились от 10% до 20% по сравнению устройством по прототипу.
2. Был выполнен ротационный компрессор с выступами на барабане ротора, за которыми закрепили шарниры с лопатками в виде плоских пластин меньшей длины, чем в п.1. Проведенные эксперименты в рабочих режимах работы компрессора также показали снижение потерь потребляемой компрессором мощности на трение и на перетечку газа, в частности при возможности уменьшения величины максимального расстояния между барабаном ротора и обечайкой корпуса компрессора, что расширяет возможность использования предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.
3. Компрессор, выполненный по п.1 и п.2, был изготовлен с расположением входного и выходного окна на обечайке корпуса компрессора, затем - с окнами на торцах корпуса, а затем одно окно выполняли на торце, а другое на обечайке корпуса. При этом одно из окон или оба окна выполняли с переменной площадью за счет выполнения подвижной одной из стенок каждого окна. Были проведены эксперименты в переменных рабочих режимах сжатия
газа, которые показали возможность эффективной работы компрессора в указанных режимах по сравнению с устройством по прототипу, который не имеет возможности работать в режимах с переменным сжатием газа.
Во всех выполненных экспериментах было отмечено, что износ лопаток предлагаемого устройства был ниже, чем в устрой
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. А.Г.Касаткин. Основные процессы и аппараты химической технологии. Издательство «Химия», Москва, 1971 г., с.158, 172-173, 182.
2. И.В.Доманский. Насосы и компрессоры. Учебное пособие. Ленинградский технологический институт имени Ленсовета, Ленинград, 1984 г., с.54-56.
3. Д.Рей, Д.Макмайкл. Тепловые насосы. Москва. Энергоиздат. 1982 г., с.43-44.