РОТАЦИОННАЯ ГИБРИДНАЯ МАШИНА ОБЪЁМНОГО ДЕЙСТВИЯ
ROTARY HYBRID MACHINE OF VOLUMETRIC ACTION

Изобретение относится к области насосо- и компрессоростроения и может быть использовано при создании универсальных машин, использующихся для подачи жидкости под напором и газа под давлением в быту (лакокрасочные работы, полив и опыление на приусадебных участках, откачка воды при подтоплении помещений и т.д.), сельском хозяйстве (поливные и ирригационные работы), в подразделениях МЧС (откачка воды с затопленных территорий, подача питьевой воды и жидкого топлива), на маломерных морских судах (откачка воды из трюма), в условиях производственных мастерских (питание пневмоинструмента, лакокрасочные работы, продувка магистралей, заправка емкостей жидкостью) и в других случаях, когда не требуется большой напор жидкости (до 5-6 бар) и равномерность ее подачи, и давлений газа (преимущественно - воздуха, давление до 2,5-4 бар), а основными показателями является простота и надежность, высокий удельный расход рабочего тела и низкая стоимость.
Известны ротационные гибридные машины объемного действия, содержащие корпус, всасывающее окно и нагнетательный клапан, размещенные соответственно в линии всасывания и нагнетания, рабочий цилиндр с размещенным в нем основным ротором, имеющим, по крайней мере, один выступ, радиус которого равен радиусу цилиндра, и вспомогательный ротор, имеющий впадину для размещения в ней выступа основного ротора, причем оба ротора имеют кинематическую связь, обеспечивающую их синхронное вращение, и основной и вспомогательный роторы размещены таким образом, что их оси скрещиваются, а плоскость вращения вспомогательного ротора находится под углом 90° к плоскости вращения основного ротора, причем торцевая поверхность вспомогательного ротора, обращенная в сторону цилиндра, расположена относительно оси вращения основного ротора на расстоянии, равном радиусу основного ротора (патент РФ на ПМ №43925 Машина объемного действия, опубл. 10.02.2005, кл. F04C 29/04).
Наиболее близким к заявляемому техническому устройству являются ротационные гибридные машины объемного действия, содержащие корпус, всасывающее окно и нагнетательный клапан, размещенные соответственно в линии всасывания и нагнетания, рабочий цилиндр с размещенным в нем основным ротором, имеющим, по крайней мере, один выступ, радиус которого равен радиусу цилиндра, и вспомогательный ротор, имеющий впадину для размещения в ней выступа основного ротора, причем оба ротора имеют кинематическую связь, обеспечивающую их синхронное вращение, и основной и вспомогательный роторы размещены таким образом, что их оси скрещиваются, а плоскость вращения вспомогательного ротора находится под углом 90° к плоскости вращения основного ротора, причем торцевая поверхность вспомогательного ротора, обращенная в сторону цилиндра, расположена относительно оси вращения основного ротора на расстоянии, равном радиусу основного ротора, отличающаяся тем, что линия нагнетания содержит золотник с отверстием и установленным в нем подвижным элементом, который имеет два фиксированных положения вдоль оси этого отверстия, нагнетательный клапан размещен в этом подвижном элементе, причем в одном из положений последнего рабочий цилиндр соединен с дополнительной линией нагнетания (патент РФ на изобретение №.2538188, МПК F04C 29/04, F04C 18/50, опубл. 10.01.2015).
Недостатками известных конструкций являются повышенные затраты работы в процессе нагнетания жидкости через дополнительную линию нагнетания из-за того, что при уходе выступа ротора во впадину вспомогательного ротора, когда линии всасывания и нагнетания жидкости соединяются между собой, попавшая в нагнетательную линию и двигающаяся по инерции жидкость успевает остановиться и начать движение назад, в сторону рабочей камеры, где встречается с потоком нагнетания, возникшим после прохождения к тому моменту выступом ротора всасывающего окна. При встрече двух потоков жидкости их кинетическая энергия движения превращается в потенциальную энергию давления, давление в нагнетательной линии возрастает выше номинального давления нагнетания, что приводит к повышенным затратам мощности на осуществление процесса нагнетания жидкости.
Задачей изобретения является уменьшение потерь энергии в процессе нагнетания жидкости.
Данный технический результат достигается тем, что в ротационной гибридной машине объемного действия, содержащей корпус, всасывающее окно и нагнетательный клапан, размещенные соответственно в линии всасывания и нагнетания, рабочий цилиндр с размещенным в нем основным ротором, имеющим, по крайней мере, один выступ, радиус которого равен радиусу цилиндра, и вспомогательный ротор, имеющий впадину для размещения в ней выступа основного ротора, причем оба ротора имеют кинематическую связь, обеспечивающую их синхронное вращение, и основной и вспомогательный роторы размещены таким образом, что их оси скрещиваются, а плоскость вращения вспомогательного ротора находится под углом 90° к плоскости вращения основного ротора, причем торцевая поверхность вспомогательного ротора, обращенная в сторону цилиндра, расположена относительно оси вращения основного ротора на расстоянии, равном радиусу основного ротора, а линия нагнетания содержит золотник с отверстием и установленным в нем подвижным элементом, который имеет два фиксированных положения вдоль оси этого отверстия, нагнетательный клапан размещен в этом подвижном элементе, причем в одном из положений последнего рабочий цилиндр соединен с дополнительной линией нагнетания, согласно заявляемому изобретению, дополнительная линия нагнетания снабжена участком с наклонными в сторону прямого потока поверхностями, образующими ступенчатый канал.
Дополнительная линия нагнетания может иметь участок с прямоугольным поперечным сечением, а наклонные поверхности могут быть выполнены в виде размещенных на противоположных сторонах канала пар жесткой и гибкой пластин, причем гибкая пластина имеет длину в сторону оси канала большую, чем жесткая пластина, и установлена вплотную к жесткой пластине, соприкасаясь с ней по плоскости со стороны обратного потока жидкости.
Дополнительная линия нагнетания может иметь цилиндрический участок, а наклонные поверхности выполнены в виде втулок, имеющих форму усеченного конуса, обращенного вершиной в сторону обратного потока.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена машина со стороны основного ротора с выступом в плоскости ротора; на фиг. 2 изображено сечение машины плоскостью, перпендикулярной плоскости вращения основного ротора; на фиг. 3 показано сечение машины в зоне нагнетательной линии в момент нагнетания газа при открытом обратном клапане; на фиг. 4 показано это же сечение в процессе нагнетания жидкости для варианта машины, в которой используются наклоненные в сторону прямого потока жесткая и гибкая пластина; на фиг. 5 показано это же сечение в тот момент, когда выступ основного ротора вошел во впадину вспомогательного ротора, и жидкость из линии нагнетания пытается протечь в рабочий цилиндр машины; на фиг. 6 и 7 укрупненно показаны сечения линии нагнетания с наклонными пластинами в процессах нагнетания жидкости и в процессе, когда выступ основного ротора ушел во впадину вспомогательного ротора; на фиг. 8 показан вариант машины во время процесса нагнетания жидкости, в которой канал линии нагнетания выполнен цилиндрическим, и в нем установлены втулки в виде усеченного конуса.
Универсальная машина объемного действия (фиг. 1 и фиг. 2) состоит из корпуса, содержащего кронштейн 1 с пластиной 2, в которой имеется рабочий цилиндр 3 с концентрично размещенным основным ротором 4 с выступом 5, наружная поверхность которого имеет радиус, равный радиусу рабочего цилиндра 3. Основной ротор 4 установлен неподвижно на приводном валу 6, ось его вращения скрещивается с осью вспомогательного ротора 7 под углом 90 градусов, причем торцевая поверхность вспомогательного ротора, обращенная в сторону цилиндра, расположена относительно оси вращения основного ротора 4 на расстоянии, равном радиусу основного ротора, и при вращении основной ротор 4 своей цилиндрической поверхностью касается плоскости вспомогательного ротора 7. Вспомогательный ротор 7 имеет впадину 8 с формой, позволяющей выступу 5 проходить в ней при синхронном вращении роторов 4 и 7 за счет их кинематической связи. Вращение ротора 7 осуществляется вместе с валом 9. С фронтальной стороны цилиндр 3 перекрыт крышкой 10, в которой расположено всасывающее окно 11 и нагнетательный тракт 12 линии нагнетания. Зубчатое зацепление 13-14 осуществляет кинематическую связь роторов 4 и 7 и служит для синхронизации вращения валов 6 и 9 и соответственно роторов 4 и 7. Ось отверстия линии нагнетания 12 и ось всасывающего окна 11 расположены под углом α.
Линия нагнетания 12 содержит золотник с отверстием 15 в стенке 10 (фиг. 3), в котором находится подвижный в осевом направлении элемент 16 с обратным самодействующим клапаном 17. Подпружиненный фиксатор 18 и выточки на элементе 16 позволяют фиксировать его в двух положениях вдоль оси отверстия 15. На фиг. 3 показано положение, при котором полость цилиндра 3 подсоединена к проходному сечению клапана 17 и далее через открытый вентиль 19 и гибкий шланг 20 - к потребителю газа, движение которого при открытом клапане 17 показано утолщенными стрелками. При данном положении элемента 16 он перекрывает дополнительную линию нагнетания, выполненную в виде углового отверстия 21 в крышке 10, которая соединяет рабочий цилиндр 3 с потребителем жидкости через участок линии нагнетания 22 и гибкий шланг 23. Участок линии нагнетания 22 снабжен наклонными в сторону прямого потока поверхностями, образующими ступенчатый канал 24. Этот канал представляет собой участок 22 с прямоугольным поперечным сечением, а наклонные поверхности выполнены в виде размещенных в пазах на противоположных сторонах участка 22 трех пар жесткой 25 и гибкой 26 пластин, причем гибкая пластина 26 имеет длину в сторону оси канала 24 большую, чем жесткая пластина 25, и установлена вплотную к жесткой пластине, соприкасаясь с ней по плоскости со стороны обратного потока жидкости».
Положение элемента 16, при котором дополнительная линия нагнетания 21 соединена с полостью рабочего цилиндра 3, показано на фиг. 4 (элемент 16 переведен в крайнее правое положение, зафиксирован фиксатором 18, вентиль 19 закрыт, движение жидкости потребителю (прямой поток) показано утолщенными стрелками).
Вариант, в котором дополнительная линия нагнетания 21 имеет цилиндрический участок 22, а наклонные поверхности выполнены в виде втулок 27, имеющих форму усеченного конуса, обращенного вершиной в сторону обратного потока, изображен на фиг. 8, где показан момент, когда имеет место обратный поток жидкости. Втулки 27 установлены с помощью распорных втулок 28.
Ротационная гибридная машина объемного действия работает следующим образом.
Режим компрессора
Элемент 16 золотника зафиксирован в левом (по рисунку) положении (фиг. 3), вентиль 19 открыт.
При вращении ротора 4 (направление вращения показано стрелкой на фиг. 1) выступ 5 сначала перекрывает всасывающее окно 11 линии всасывания, а затем проходит его. При этом радиальная поверхность ротора 4 входит в контакт с нижней гладкой частью вспомогательного ротора 7, синхронно вращающегося с ротором 4, в результате чего часть цилиндра 3, заключенная между фронтальной поверхностью выступа 5 и плоскостью ротора 7 (в зоне линии нагнетания 12) оказывается уменьшающейся в объеме при дальнейшем вращении ротора 4, а часть цилиндра 3, заключенная между тыльной поверхностью выступа 5 и плоскостью вспомогательного ротора 7 (в зоне всасывающего окна 11) - увеличивающейся в объеме. При этом газ, находящийся в зоне линии нагнетания 12, сжимается, а при достижении давления потребителя открывает нагнетательный клапан 17, и газ истекает потребителю. В то же время из-за увеличения объема части цилиндра 3, находящейся с тыльной стороны выступа 5, давление в этой зоне падает, что приводит к всасыванию газа, например воздуха, из атмосферы, с которой соединена линия всасывания.
В конце своего поворота (это положение показано на фиг. 1 штриховыми линиями) выступ 5 сначала перекрывает линию нагнетания 12 (процесс нагнетания заканчивается, клапан 17 закрывается), а затем входит в зацепление с впадиной 8. При этом положении клапан 17 закрыт, и сжатый газ из линии нагнетания 12 не может протекать назад в полость цилиндра 3, а сама полость оказывается заполненной газом под давлением источника газа (например, воздухом под атмосферным давлением).
В дальнейшем работа машины в режиме компрессора повторяется. Таким образом, за один поворот основного ротора 4 в цилиндре 3 осуществляются одновременно процессы всасывания, сжатия и нагнетания газа.
Режим насоса.
Элемент 16 золотника зафиксирован в правом (по рисунку) положении (фиг. 4), вентиль 19 закрыт.
Синхронизированное движение основного ротора 3 с выступом 5 и вспомогательного ротора 7 с впадиной 8 происходит так же, как и при работе в режиме компрессора (фиг. 1). При этом жидкость всасывается через всасывающее окно и нагнетается в линию нагнетания 12. Но в линии нагнетания 12 (в отличие от компрессорного режима) жидкость (фиг. 4) не может двигаться через клапан 17 и движется через отверстие 21 к потребителю.
В процессе сжатия-нагнетания жидкости она разгоняется выступом 5 в цилиндре 3 и разгоняет (проталкивает) всю жидкость, находящуюся в линии нагнетания (отверстие 21, участок 22 с каналом 24, пластинами 25 и 26 и гибкий шланг 23, рабочий объем самого потребителя). В связи с тем, что пластины 25 и 26 наклонены по ходу потока жидкости (в сторону прямого потока), а гибкие пластины 26 дополнительно под действием потока жидкости прогибаются в сторону потока (фиг. 6), канал 24 не оказывает существенного сопротивления прямому потоку жидкости. В конце процесса сжатия-нагнетания жидкости выступ 5 перекрывает линию нагнетания 12, и подача жидкости в линию нагнетания 12 прекращается, а в следующий момент времени выступ 5 проходит мимо сечения линии нагнетания 12 и входит во впадину 8 вспомогательного ротора 7, и линия нагнетания 12 через объем заполненного под давлением всасывания цилиндра 3 соединяется с линией всасывания через всасывающее окно 11. При этом происходят следующие процессы.
Как только выступ 5 перекрывает линию нагнетания 12, жидкость, находящаяся в этой линии, под действием сил инерции продолжает движение в сторону потребителя. Но поскольку движения жидкости из объема полости цилиндра 3 в линию нагнетания 12 нет, постольку это инерционное движение происходит в пределах упругой деформации жидкости, и жидкость, продолжая движение в сторону потребителя, как бы «растягивается» в пределах объема линии нагнетания, давление в ней падает ниже давления потребителя, после чего, под действием давления потребителя, она начинает снова сжиматься.
За промежуток времени, в течение которого происходят процессы сначала расширения, а потом сжатия жидкости в линии нагнетания 12 (при этом расхода жидкости из полости цилиндра 3 в линию нагнетания 12 нет, как нет и обратного потока), выступ 5 при достаточно высокой частоте вращения роторов 4 и 7, малом угле α (фиг. 1), достаточно высокой плотности жидкости (большой удельный вес и, соответственно, большие силы инерции) успевает войти во впадину 8, выйти из нее, перекрыть всасывающее окно 11 и начать сжатие находящейся в полости цилиндра 3 жидкости и ее вытеснение в сторону линии нагнетания 12. Такой процесс происходит только при оптимально подобранных геометрических и режимных параметрах работы насоса с определенной жидкостью.
В это же время в общем случае жидкость в линии нагнетания 12 начинает обратное движение в сторону полости цилиндра 3, однако при этом, входя в канал 24, в котором установлены навстречу обратному потоку пластины 25 и 26, поток резко тормозится в связи с образованием вихревого течения, оказывающего динамическое сопротивление потоку, вектор которого направлен против движения потока (см. также фиг. 7). Кроме того, свободные кромки гибких пластин 26 прогибаются под действием потока жидкости и дополнительно к динамическому сопротивлению сужают проходное сечение канала 24. В связи с этим обратный поток жидкости практически стопорится, и его расход в сторону полости цилиндра становится несущественным при любых геометрических соотношениях машины, режимах ее работы и применяемых жидкостях.
Работа конструкции машины, показанная на фиг. 8, проще по технологии изготовления и работает аналогичным образом с несколько (на 5-7%) меньшим эффектом, т.к. конфигурация канала 24 остается постоянной как для прямого, так и для обратного потока в связи с отсутствием элементов, аналогичных гибким пластинам 26.
Таким образом, в предложенной конструкции отсутствуют повышенные затраты работы в процессе нагнетания жидкости через дополнительную линию нагнетания, т.к. обратный поток жидкости в линии нагнетания почти полностью останавливается при уходе выступа ротора во впадину вспомогательного ротора, когда линии всасывания и нагнетания жидкости соединяются между собой.