СПИРАЛЬ МЕХАНИЗМА СЖАТИЯ СПИРАЛЬНОГО КОМПРЕССОРА
SCROLL COMPRESSOR RANGE OF SCROLL COMPRESSOR

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к спиральным компрессорам, спиральным вакуумным насосам, спиральным детандерам с одной подвижной и одной неподвижной спиралями или с двумя подвижными спиралями, особенно при наличии требований к чистоте перекачиваемого газа [F04C 18/00, F04C 2/00].
Из уровня техники известна СПИРАЛЬНАЯ МАШИНА [RU 2267652, опубл. 10.01.2006] содержащая корпус со всасывающим и нагнетательным отверстиями, расположенные в корпусе неподвижный спиральный элемент, находящийся в зацеплении с подвижным спиральным элементом, установленным на эксцентриковом валу и имеющим возможность совершать орбитальное движение с эксцентриситетом относительно неподвижного спирального элемента с образованием замкнутых полостей сжатия, и противоповоротное устройство, имеющее, по меньшей мере, один поводок, размещенный в отверстии подвижного спирального элемента, отличающаяся тем, что подвижный спиральный элемент выполнен без основания с возможностью исключения воздействия на него осевой силы при сжатии газа, в неподвижном спиральном элементе выполнены сквозные отверстия, а в корпусе выполнены отверстия, совпадающие со сквозными отверстиями неподвижного спирального элемента с образованием сквозных каналов для прохождения охлаждающего воздуха.
Недостатками аналога являются:
- сложность конструкции из-за наличия сквозных отверстий в неподвижном спиральном элементе и корпусе конструкции, что требует проведения дополнительных технологических операций при изготовлении изделия, и как следствие усложняет и удорожает производство;
- низкая жесткость конструкции из-за того, что в аналоге применяются гладкие спиральные элементы, у которых отсутствуют ребра жесткости;
-необходимость применения смазочного материала для герметизации зазоров между спиралями;
- в случае контакта спиралей- повышенные удельные контактные давления при трении металлических поверхностей.
Наиболее близким по технической сущности является СПИРАЛЬНЫЙ КОМПРЕССОР [RU 2560647, опубл. 20.08.2015], содержащий: механизм сжатия, включающий в себя неподвижную спираль, включающую в себя концевую пластину неподвижной стороны и имеющую форму спиральной стенки оболочку неподвижной стороны, установленную на концевой пластине неподвижной стороны, и орбитальную спираль, включающую в себя концевую пластину орбитальной стороны и имеющую форму спиральной стенки оболочку орбитальной стороны, установленную на концевой пластине орбитальной стороны, при этом оболочка неподвижной стороны и оболочка орбитальной стороны сцепляются друг с другом и образуют камеру сжатия между спиралями, неподвижная спираль имеет канал для впрыска, который выполнен с возможностью сообщения с камерой) сжатия через проходное отверстие для сообщения, расположенное в концевой пластине неподвижной стороны, оболочка орбитальной стороны имеет толстый участок, включающий в себя увеличивающийся участок толщины зубца и расположенный в месте, соответствующем каналу для впрыска, толщина зубца увеличивающегося участка толщины зубца увеличивается от начала закручивания до конца закручивания оболочки орбитальной стороны, и толстый участок имеет толщину, превышающую или равную размеру отверстия канала для впрыска, измеряемому вдоль толщины зубца оболочки орбитальной стороны.
Основными техническими проблемами прототипа являются:
- низкая жесткость конструкции, из-за того, что стороны неподвижной и орбитальной спирали являются гладкими что, не предусматривает наличия ребер жесткости, способных значительно увеличить жесткость конструкции;
- наличие внутренних перетечек газа в устройстве из-за того, что при использовании неподвижной и подвижной спирали гладкой формы происходит перетекание газа из полости высокого давления в полость низкого давления из-за образования радиальных зазоров между спиралями, что в свою очередь вызывает необходимость применения смазочного материала в прототипе для герметизации зазоров между спиралями.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение жесткости конструкции и снижение внутренних перетечек газа.
Указанный технический результат достигается за счет того, что спираль механизма сжатия спирального компрессора, отличающаяся тем, что выполнена в виде неразъемного соединения набора плоских пластин одинаковой высоты и разной ширины, при этом поверхности смежных плоских пластин образуют равные углы α, при этом α=2π/n, где n - целое четное число и 24<n<44.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 показан общий вид неподвижной спирали спирального компрессора.
На фиг. 2 показан общий вид подвижной спирали спирального компрессора.
На фиг. 3 показана иллюстрация процедуры расчета спирали механизма сжатия компрессора спирального.
На фиг. 4-6 показаны последовательные фазы относительного движения внутренней поверхности первой спирали и внешней поверхности второй спирали спирального компрессора.
На фиг. 7 показан расчетный график зависимости давления в двух соседних щелевых плоскопараллельных зазорах между рабочими поверхностями спиралей от угла поворота спиралей, где каждая из кривых 1-8 построена при разных фиксированных углах поворота спиралей.
На фигурах обозначено: 1 - корпус; 2 - первая спираль; 3 - вторая спираль; 4 - пластина, 5 - нижняя стенка.
Осуществление изобретения.
Спиральный компрессор состоит из корпуса 1, внутри которого размещаются детали механизма сжатия спирального компрессора, представляющие из себя первую спираль 2 и вторую спираль 3. При этом первая 2, и вторая 3 спирали расположены эксцентрично относительно друг друга. Внутренняя и внешняя поверхность первой спирали 2 представляет из себя совокупность плоских граней (показано на фиг. 1), образующих набор пластин 4 одинаковой высоты и разной ширины.  Внутренняя и внешняя поверхность второй спирали 3 также представляет из себя совокупность плоских граней (показано на фиг. 2), образующих набор пластин 4 одинаковой высоты и разной ширины.  Углы (α) между смежными пластинами 4 каждой из поверхностей первой 2 и второй 3 спиралей являются равными, при этом α=2π/n, где n - целое четное число и 24<n<44, при этом ближние пластины 4 смежных витков первой 2 и второй 3 спиралей расположены параллельно. Пластины 4 первой 2 и второй 3 спиралей выполнены таким образом, что при их взаимном плоскопараллельном перемещении линии их соприкосновения (либо минимального зазора) остаются строго параллельными. В нижней части корпуса 1 располагается нижняя стенка 5, соединенная с боковыми стенками корпуса 1.
Также спиральный компрессор включает в себя электродвигатель, выполненный с возможностью вращения первой 2 и второй 3 спиралей (на фиг. не показано).
В варианте реализации спиральный компрессор выполнен с возможностью орбитального движения либо первой 2, либо второй 3 спирали. В таком случае одна из спиралей является неподвижной, а другая - подвижной.
В вариантах реализации спиральный компрессор может включать в себя дополнительные элементы, обеспечивающие электроснабжение, а также эксцентриковый и противоповоротный механизмы (на фиг. не показаны).
Спираль механизма сжатия спирального компрессора используется следующим образом.
Первоначально от источника питания включают электродвигатель, который приводит в действие детали механизма сжатия в виде первой 2 и второй 3 спирали. В определенный момент стенки спирали отсекают две серповидные полости. Детали механизма сжатия, а именно, первая 2, и вторая 3 спирали вращаются с одной скоростью и в одном направлении. По мере развития движения области, образованные внутренним объемом плоских пластин 4 спиралей и заполненные газом, постепенно проталкиваются к центру, одновременно сокращаясь в объеме. При этом, изначально полости высокого давления и низкого давления физически разделены смежными пластинами 4. При вращении пластин 4 реализуется переход из сомкнутого положения в раскрытое с образованием зазора с пониженным давлением газа. Одновременно с этим соседняя (предыдущая) пара смежных пластин 4 смыкается, образуя сжимающийся зазор с повышенным давлением газа в зазоре. Наличие зон пониженного и повышенного давления газа свидетельствует об образовании динамического газового затвора. Далее, когда области достигают центра спирали, газ, который теперь находится под высоким давлением, выталкивается из центральной части.
Возможен вариант реализации, когда во время процесса сжатия газа, неподвижная спираль остается неподвижной, а подвижная спираль совершает орбитальные движения вокруг неподвижной спирали. По мере развития такого движения области, образованные внутренним объемом между плоскими платинами 4 неподвижной и подвижной спиралей и заполненные газом, постепенно проталкиваются к центру, одновременно сокращаясь в объеме. Когда области достигают центра спирали, газ, который теперь находится под высоким давлением, выталкивается из центральной части.
Технический результат изобретения в виде повышения жесткости конструкции достигается за счет того, что спираль механизма сжатия спирального компрессора образована неразъемным сочленением набора пластин 4 одинаковой высоты и разной ширины, при этом плоские пластины 4 образуют ребра жесткости, за счет чего изделие становится менее подвержено деформации в ходе использования, и может выдерживать большее усилие в динамике.
Технический результат изобретения в виде снижения внутренних перетечек газа, достигается за счет того, что спираль механизма сжатия спирального компрессора, образованная неразъемным сочленением набора пластин 4 одинаковой высоты и разной ширины у которой поверхности смежных плоских пластин 4 образуют равные углы α=2π/n, где n- целое четное число и 24<n<44, при этом ближние пластины 4 смежных витков спирали расположены параллельно друг относительно друга, что при использовании в спиральном компрессоре, обеспечивает образование динамического газового затвора между плоскостями расположения первой 2 и второй 3 спиралей. Динамический газовый затвор препятствует перетеканию газа из полости высокого давления в полость низкого давления устройства, тем самым снижает внутренние перетечки газа, что в свою очередь приводит к снижению потребности в подаче смазочного материала.
Также стоит отметить, что использование спиралей механизма сжатия спирального компрессора приводит к более точному позиционированию взаимного расположения спиралей в устройстве.
Заявитель в 2021 году изготовил опытный образец заявленного устройства, опытная эксплуатация которого подтвердила заявленный технический результат. Увеличение жесткости конструкции за период эксплуатации устройства составило порядка 20%, по сравнению с использованием устройств с гладкими или кусочно-круговыми спиралями.
Также опытная эксплуатация показало снижение внутренних перетечек газа спирального компрессора на 60-90% по сравнению с использованием устройств с гладкими или кусочно-круговыми спиралями.
Пример достижения технического результата.
Рассмотрим процедуру построения спирали механизма сжатия спирального компрессора, состоящей из совокупности плоских пластин 4. Процедуру построения будем осуществлять в пакете прикладных программ для решения задач технических вычислений MatLab.
- Первоначально строится гладкая спираль Архимеда с центром в т. О и радиусом начальной окружности ОА (показано на фиг. 3).
- Через равные углы α отмечаются точки B(i) на гладкой спирали. Углы α выбираются по формуле α=2π/n, где n- целое четное число и 24<n<44. Например при n=26, α≈13,85°; при n=30, α≈12° и т.д. Соотношение для расчета α было получено опытным путем, в ходе реализаций процедуры построения детали механизма сжатия спирального компрессора. В частности, было установлено, что при любых других значениях n, образование динамического газового затвора не происходит.
При этом, исходя из опытных данных, предпочтительно, чтобы
- Через отмеченные точки B(i) проводятся касательные к гладкой спирали до пересечения с касательными из соседних точек B(i-1) и B(i+1).
Процедура построения как внутренней, так и внешней поверхностей спиралей компрессора является аналогичной, существенным отличием является лишь то, что внешняя поверхность спираль является эквидистантная внутренней на расстоянии, равном толщине ребра первой 2 спирали. Через точки пересечения касательных в направлении, перпендикулярном плоскости XY, проводятся ребра поверхности спирали. Таким образом получаем спираль механизма сжатия спирального компрессора, представляющей из себя совокупность плоских пластин 4, которые образуют ребра жесткости, за счет чего достигается первый заявленный технический результат, а именно повышается жесткость конструкции и, соответственно, повышается сопротивление деформации в ходе использования.
Далее рассмотрим последовательные фазы относительного движения спиралей механизма сжатия, а именно внутренней поверхности спирали 2 и внешней поверхности спирали 3 (показано на фиг. 4-6).  В положении на фиг. 4 полости высокого давления (HP) и низкого давления (LP) физически разделены касающимися пластинами 4. Это касание происходит в течении короткого промежутка времени, равного примерно 1/100000 с, либо отсутствует. При дальнейшем вращении пластины 4, которые в положении, показанном на фиг. 4 были сомкнуты начинают раскрываться (показано на фиг. 5), далее благодаря тому, что между смежными пластинами 4 одинаковые углы, образуется раскрывающийся зазор с пониженным давлением газа в зазоре. Одновременно с раскрытием пластин 4 смежные пластины 4 смыкаются, образуя сжимающийся зазор с повышенным давлением газа в зазоре. Процесс смыкания платин 4 и одновременно с этим образование зазора между смежными платинами 4 становиться возможным благодаря тому, что ближние пластины 4 смежных витков спирали расположены параллельно, что подтверждается на иллюстрациях (фиг. 4-6), где видно, что при взаимном плоскопараллельном перемещении спиралей, линии их соприкосновения (минимального зазора) остаются параллельными. Расчет уравнения Рейнольдса для сжимаемого газа в этих двух зазорах и опытная эксплуатация изделия показывает, что при движении спиралей образуется динамический газовый затвор, препятствующий перетеканию газа из области высокого давления в область низкого давления.  Графики зависимости распределения создаваемого давления от угла поворота спиралей от показаны на фиг. 7. Слева на графике находится область низкого давления, справа- высокого давления. Линии показывают распределение давлений в двух соседних щелевых зазорах при различных последовательных углах поворота спиралей. О наличии газового затвора свидетельствует наличие участков графиков с понижением давления слева направо. Наличие динамического газового затвора при работе устройства приводит к достижению второго заявленного технического результата снижения внутренних перетечек газа.
Дополнительно следует отметить, что увеличить герметичность спиралей можно, если скруглить внутренние ребра обеих спиралей дугами с радиусом, равным эксцентриситету спиралей.
Кроме того, внутренняя и внешняя поверхности каждой спирали могут быть построены со смещением друг относительно друга на половину углового шага. При этом происходит снижение вдвое максимальных радиальных нагрузок на подшипники.