Роторная машина
ROTARY MACHINE

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в паровых и пневматических приводах и компрессорах.
Известна роторная машина (РМ), которая включает патрубки низкого и высокого давления и выделенный корпусом и эксцентрично установленным ротором рабочий объем, разделенный лопатками на перемещающиеся части с уменьшающимися по ходу вращения объемами и соответственно повышающимся в них давлением [Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные машины, М.: Энергоатомиздат, 1989 г., стр. 98, рис. 3.43]. В этом компрессоре лопатки вращаются с герметичным примыканием к корпусу благодаря возможности их радиального перемещения. Ротор приводится во вращение двигателем, и давление перед лопатками выше, чем за ними, характерная степень сжатия не более 4-5. В принципе это устройство может использоваться в качестве пневматического провода или паровой расширительной машины.
Недостатками этой РМ являются:
- Низкая надежность из-за больших некомпенсированных радиальных усилий, действующих на ротор.
- Низкая степень сжатия, не более 4-5, из-за используемой геометрии рабочего объема.
- Большая материалоемкость из-за восприятия высокого давления корпусом машины.
- Низкая производительность (компрессора) или мощность (при использовании машины для привода).
Известна широко применявшаяся в России паровая РМ Тверского [Сайт И.Ю. Исаева www.rotor-motor.ru. Паровой роторный двигатель. Доклад российского инженера - механика Тверского Н.Н.], выбранная в качестве прототипа. РМ Тверского включает размещенные в корпусе и согласованно вращающиеся ротор с парой лопаток и плотно примыкающие к ротору, оппозитно установленные замыкатели, выполненные в виде цилиндров с продольной выемкой для пропуска лопаток, которые совместно с корпусом выделяют две рабочие полости переменного объема. В этом устройстве нет осевых усилий, а за счет оппозитной установки замыкателей радиальные усилия на ротор также компенсируются, обеспечивая отсутствие вибраций, шумов и высокую надежность работы прототипа и практическую долговечность.
Недостатками прототипа являются:
- Низкая степень сжатия.
- Большая материалоемкость из-за восприятия высокого давления корпусом машины.
- Низкая производительность (компрессора) или мощность (при использовании машины для привода).
Низкая степень сжатия, то есть отношение величин рабочих объемов отработанного рабочего тела (пара) к объему свежего пара, связанная с большой долей последнего и объясняемая кинематикой изменения рабочего объема. При впуске пара продольные выемки замыкателей подключены к рабочим полостям, поэтому значительная часть рабочего объема заполняется паром, и соответственно степень сжатия низкая. Отметим, что при дальнейшем проворачивании машины этот защемленный в выемке объем пара не участвует в совершении работы. В варианте более позднего впуска пара после пропуска лопаток защемленного объема нет, но отключение выемок от рабочих полостей происходит также при большом исходном рабочем объеме, и соответственно степень сжатия будет низкой.
Характерно, что высокое давление действует непосредственно на корпус РМ, и это требует выполнять его прочным, с большими затратами материалов. Кроме того, для прототипа характерна низкая мощность, что привело к полному забвению машины.
Предлагаемым изобретением решаются задачи повышения степени сжатия, снижения материалоемкости и увеличения производительности или мощности.
Для достижения заявляемого технического результата в РМ, включающей корпус с патрубками высокого и низкого давления и размещенные в нем согласованно вращающиеся по меньшей мере один ротор с лопатками и оппозитно установленные замыкатели, выполненные в виде плотно примыкающих к ротору цилиндров с по меньшей мере одной продольной выемкой для пропуска лопаток, которые совместно с корпусом выделяют рабочие полости переменного объема, согласно изобретению лопатки изогнуты в сторону замыкателей с обеспечением их плотного подвижного контакта с замыкателями по границе выемки, причем число лопаток N и оборотов n ротора связаны с числом оборотов m и количеством продольных выемок М замыкателей соотношением N×n=M×m.
Выделение небольшого начального рабочего объема обеспечивает высокие значения степени сжатия. Кроме того, высокое давление рабочего тела действует именно в этом объеме. На корпус РМ воздействует более низкое давление многократно расширившегося рабочего тела, когда вершина лопатки начинает перемещаться по внутренней поверхности корпуса, и поэтому корпус РМ может выполняться тонкостенным, с малыми затратами металла. Увеличение производительности и/или мощности РМ можно обеспечить увеличением числа лопаток N и оборотов n ротора, и соотношение N×n=M×m позволяет выполнить это согласованно за счет увеличения в устройстве числа оборотов m или количества продольных выемок М замыкателей.
Дополнительным пунктом 2 формулы предлагается использование, по меньшей мере, двух, связанных общим замыкателем и согласованно вращающихся роторов, которые установлены параллельно в общем корпусе и являются ступенями сжатия и/или расширения. Это позволяет по меньшей мере в два раза увеличить производительность компрессора или в два раза увеличить мощность расширительной машины.
Таким образом, в сравнении с прототипом предлагаемым изобретением решаются задачи повышения степени сжатия, снижения материалоемкости, увеличения производительности или мощности РМ.
На чертеже показан продольный разрез роторной машины. Это машина расширительного типа, и она представлена в варианте использования двух параллельно установленных роторов 1 с четырьмя лопатками 2 и трех оппозитно расположенных замыкателей 3, закрепленных в общем корпусе 4. Использование двух роторов с четырьмя лопатками (вместо двух) позволяет многократно увеличить производительность машины.
Машина имеет патрубки 5 низкого давления, выхлопные и подводящие пар патрубки 6 высокого давления, которые здесь расположены внутри роторов 1, и своими отверстиями 7 периодически подключаются подводящими соплами 8 при их совмещении к начальному рабочему объему 9. Начальный рабочий объем 9 имеет треугольное сечение и расширяется по мере согласованного вращения ротора 1 и замыкателя 3 до тех пор, пока подводящие сопла 8 не отключатся от отверстий 7, расположенных на неподвижном подводящем патрубке 6 высокого давления. Характерно, что эта зона высокого давления 9 зажата между ротором 1, лопаткой 2 и замыкателем 3. Поэтому высокое начальное давление не действует на корпус 4 машины, и эта массивная часть машины может быть тонкостенной и существенно облегченной.
Замыкатели 3 установлены на валах 10, имеют по две выемки 11 и контактируют с роторами 1 и лопатками 2, а лопатки также и с корпусом 4, причем герметично, без зазоров. Число лопаток N и оборотов n ротора связаны с числом оборотов m и количеством выемок М замыкателей кинематическим соотношением N×n=M×m. Их вращение показано стрелками 12, оно согласовано синхронизирующими шестернями, которые закрепляются на валах 13 роторов и валах 10 замыкателей. Их передаточное число n/m соответственно должно быть равно n/m=N/M.
При обратном вращении машины приводом и, соответственно, с затратами работы машина может быть использована в качестве компрессора.
Работу предлагаемой роторной машины типа Тверского опишем в варианте выполнения в виде высокопроизводительной машины расширительного типа с двумя параллельно установленными роторами 1 с четырьмя лопатками 2 на каждом из трех оппозитно расположенных замыкателей 3, закрепленных в общем корпусе 4. При одном обороте ротора машина пропускает 16 порций свежего пара с выхлопом отработанного пара через патрубки 5 низкого давления и получением полезной работы, используемой для привода, например, насоса, гребного винта и т.д.
Свежий пар высокого давления подводится в начальный рабочий объем 9 по патрубку 6 высокого давления и периодически вводится в него при совмещении отверстий 7 и подводящих сопл 8 через вал 13 ротора. Начальный рабочий объем 9 имеет треугольное сечение и расширяется, заполняясь свежим паром по мере согласованного вращения ротора 1 и замыкателя 3 до тех пор, пока подводящие сопла 8 не отключатся от отверстий 7, расположенных на неподвижном подводящем патрубке 6 высокого давления.
Далее начальный рабочий объем 9 будет под действием усилия от высокого давления пара на лопатку 2 расширяться. Усилие и вращение роторов 1 передается через валы 13 роторов, синхронизирующие шестерни и валы 10 на замыкатели, обеспечивая согласованное синхронное вращение всех этих элементов, как показано стрелками 12. Постепенно, совершая работу вращения вала 13, срабатывая энергию, давление и, расширяясь, пар вращает лопатку 2 сначала до ее касания с корпусом 4 и далее до образования нового начального рабочего объема за следующей лопаткой 2 и выхлопа отработавшего пара через отводящий патрубок 5 низкого давления. Полезное срабатывание энергии пара с минимумом потерь обеспечивается тем, что замыкатели 3 имеют по две выемки 11 для пропуска лопаток 2 и контактируют с роторами 1 и лопатками 2, а лопатки – также и с корпусом 4 герметично, без зазоров.