ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области ручных пневматических шлифовальных машин.
Качество поверхностей деталей, обрабатываемых ручными пневматическими шлифовальными машинами, во многом определяется стабильностью частоты вращения ротора при изменяющейся нагрузке. При этом машины должны быть энергетически эффективными, компактными и технологичными. Указанным требованиям удовлетворяют пневматические шлифовальные машины, в которых в качестве привода вращения применена реактивная турбина, работающая совместно с регулятором числа оборотов (патент США №4776752, 1988).
В большинстве известных конструкций регуляторов числа оборотов используется принцип отрицательной обратной связи между частотой вращения ротора и перепадом давлений в приводе вращения. Известен малоразмерный пневмопривод (патент на полезную модель РФ №118359, F01D 17/06. Малоразмерный пневмопривод / Кузнецов Ю.П. и др., 2012), в котором регулятор числа оборотов выполнен в виде камеры с эластичным кольцом. Последнее установлено с прилеганием к боковым стенкам и внутренней цилиндрической стенке камеры с возможностью растяжения под воздействием центробежных сил. Для передачи вращения эластичному кольцу, растянутому под действием центробежных сил, на всем участке его перемещения предусмотрен контакт последнего с боковыми стенками камеры. Контакт обеспечивается тем, что осевой зазор между боковыми стенками на всем участке перемещения эластичного кольца в цилиндрическом сечении любого диаметра эквивалентен ширине указанного кольца, растянутого до этого же диаметра. Величина упругой деформации эластичного кольца зависит от частоты вращения ротора. Растягиваясь и сохраняя концентричное положение относительно оси ротора, эластичное кольцо частично перекрывает проходное сечение камеры и, таким образом, осуществляет воздействие на перепад давлений в приводе вращения пневматического двигателя.
Наиболее рациональным представляется размещение регулятора числа оборотов со стороны входа потока газа в привод вращения, так как в этом случае имеется конструктивная возможность надежного отделения области высокого от области низкого давления. При этом эластичное кольцо находится под одновременным воздействием центробежных сил и сил давления газа. Если канал подвода газа находится на меньшем диаметре, чем канал отвода газа, центробежные силы воздействуют на эластичное кольцо однонаправлено с силами давления газа. Как результат, при достижении определенной частоты вращения ротора растянутое эластичное кольцо может занять такое положение, при котором воздействующие на него силы давления газа и центробежные силы в сумме оказываются больше, чем силы упругости от деформации растяжения кольца. В этом случае эластичное кольцо не может вернуться в исходное положение без отключения пневматического двигателя от источника питания. Конструкция может быть использована в предельных ограничителях частоты вращения, но непригодна для регуляторов числа оборотов пневматического двигателя, выходящего в процессе работы на холостые обороты ротора.
Если канал подвода газа находится на большем диаметре, чем канал отвода газа, центробежные силы воздействуют на эластичное кольцо в противоположном направлении по отношению к силам давления газа. При низких частотах вращения ротора эти силы сопоставимы по своей величине, что существенно снижает возможность его растяжения. Это не позволяет применять описанный регулятор в относительно тихоходных пневматических двигателях с частотой вращения менее 25000 об/мин.
Известен пневматический двигатель (патент на изобретение РФ №2406828, F01D 15/06. Пневматический двигатель для инструментов с поворотно-вращательным приводом / Зитцлер Я., 2007), который выбран за прототип. Пневматический двигатель содержит ротор, включающий в себя вал с размещенными на нем входной камерой, промежуточной камерой и реактивной турбиной, причем входная камера содержит регулировочное эластичное кольцо, установленное с возможностью упругой деформации под воздействием центробежных сил, промежуточная камера сформирована передней боковой стенкой, задней боковой стенкой, внутренней цилиндрической стенкой и периферийной цилиндрической стенкой и сообщена по потоку газа с входной камерой с помощью группы впускных отверстий, выполненных в передней боковой стенке, а реактивная турбина выполнена в виде диска с размещенными на нем радиальными сопловыми лопатками.
В описываемой конструкции регулировочное эластичное кольцо установлено с прилеганием к периферийной цилиндрической стенке входной камеры. Во время вращения ротора эта стенка передает вращение регулировочному эластичному кольцу, ограничивая его радиальное перемещение под воздействием центробежных сил. В результате происходит упругая деформация регулировочного эластичного кольца, зависящая от частоты вращения ротора. Последнее частично перекрывает проходное сечение входной камеры и, таким образом, осуществляет воздействие на давление потока газа в канале, сообщающим промежуточную камеру с входной камерой.
В описываемой конструкции упругая деформация регулировочного эластичного кольца имеет относительно малую величину. Поэтому для обеспечения необходимого воздействия на перепад давлений в реактивной турбине приходится снижать площадь проходного сечения входной камеры. Это являются причиной существенного сопротивления потоку газа, особенно в относительно тихоходных пневматических двигателях.
Входная камера и промежуточная камера пневматического двигателя размещены в области высокого давления, а реактивная турбина - в области низкого давления. Эти области пневматического двигателя разделены с помощью диафрагмы. При этом промежуточная камера сообщена по потоку газа с реактивной турбиной с помощью перепускного канала, в состав которого входит выполненное в валу осевое отверстие. Последнее имеет малую площадь поперечного сечения, что обусловливает возникновение больших гидравлических потерь при движении потока газа вдоль этого отверстия.
Описанная конструкция энергетически неэффективна, особенно при относительно низких частотах вращения ротора, громоздка и нетехнологична. Поэтому пневматический двигатель не может быть использован в ручных пневматических шлифовальных машин с частотой вращения менее 25000 об/мин.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, - совершенствование конструкции пневматического двигателя.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении энергетической эффективности, компактности и технологичности пневматического двигателя, расширении области его возможного применения.
Указанный результат достигается тем, что в пневматическом двигателе, содержащем ротор, включающий в себя вал с размещенными на нем входной камерой, промежуточной камерой и реактивной турбиной, причем входная камера содержит регулировочное эластичное кольцо, установленное с возможностью упругой деформации под воздействием центробежных сил, промежуточная камера сформирована передней боковой стенкой, задней боковой стенкой, внутренней цилиндрической стенкой и периферийной цилиндрической стенкой и сообщена по потоку газа с входной камерой с помощью группы впускных отверстий, выполненных в передней боковой стенке, а реактивная турбина выполнена в виде диска с размещенными на нем радиальными сопловыми лопатками, промежуточная камера содержит дополнительное эластичное кольцо, установленное с прилеганием к передней боковой стенке, задней боковой стенке и внутренней цилиндрической стенке с возможностью упругой деформации и растяжения под воздействием центробежных сил, радиальные сопловые лопатки установлены на боковой поверхности диска реактивной турбины, обращенной к промежуточной камере, с прилеганием к задней боковой стенке, промежуточная камера сообщена по потоку газа с входным сечением радиальных сопловых лопаток с помощью группы перепускных отверстий, выполненных в задней боковой стенке и расположенных с внутренней стороны цилиндрического сечения, диаметр которого не превышает диаметр цилиндрического сечения, с наружной стороны которого расположена группа впускных отверстий.
На фиг. 1 приведен продольный разрез пневматического двигателя в статическом положении в момент запуска; на фиг. 2 - продольный разрез пневматического двигателя в процессе работы; на фиг. 3 - разрез Α-A на фиг. 2.
Пневматический двигатель содержит ротор, включающий в себя вал 1 с размещенными на нем входной камерой 2, промежуточной камерой 3 и реактивной турбиной. Ротор размещен в пределах корпуса 4, в котором область высокого давления 5 отделена от области низкого давления 6 с помощью уплотнительной втулки 7, охватывающей вал 1 по периферии. Входная камера 2 содержит регулировочное эластичное кольцо 8. Последнее установлено с прилеганием к периферийной цилиндрической стенке 9 входной камеры 2 таким образом, что в статическом положении пневматического двигателя обеспечивается свободный проход потока газа из входной камеры 2 к промежуточной камере 3. При этом регулировочное эластичное кольцо 8 имеет возможность упругой деформации под воздействием центробежных сил. Входная камера 2 сообщена по потоку газа с областью высокого давления 5 с помощью выполненных в валу 1 осевого отверстия 10 и группы радиальных отверстий 11.
Промежуточная камера 3 сформирована передней боковой стенкой 12, задней боковой стенкой 13, внутренней цилиндрической стенкой 14 и периферийной цилиндрической стенкой 15. Промежуточная камера 3 сообщена по потоку газа с входной камерой 2 с помощью группы впускных отверстий 16, выполненных в передней боковой стенке 12. Промежуточная камера 3 содержит дополнительное эластичное кольцо 17. Последнее установлено с прилеганием к передней боковой стенке 12, задней боковой стенке 13 и внутренней цилиндрической стенке 14 таким образом, что в статическом положении пневматического двигателя обеспечивается свободный проход потока газа из промежуточной камеры 3 к реактивной турбине. При этом дополнительное эластичное кольцо 17 имеет возможность упругой деформации и растяжения под воздействием центробежных сил.
Для передачи вращения от ротора дополнительному эластичному кольцу 17, растянутому под действием центробежных сил, на всем участке его перемещения предусмотрен контакт последнего с передней боковой стенкой 12 и задней боковой стенкой 13. Контакт обеспечивается тем, что осевой зазор между указанными стенками на всем участке перемещения дополнительного эластичного кольца 17 в цилиндрическом сечении любого диаметра эквивалентен ширине указанного кольца, растянутого до этого же диаметра.
1
2
Реактивная турбина выполнена в виде диска 18 с размещенными на нем радиальными сопловыми лопатками 19. Последние установлены на боковой поверхности диска 18, обращенной к промежуточной камере 3, с прилеганием к задней боковой стенке 13 промежуточной камеры 3. Последняя сообщена по потоку газа с входным сечением радиальных сопловых лопаток 19 с помощью группы перепускных отверстий 20, выполненных в задней боковой стенке 13. Группа перепускных отверстий 20 расположена с внутренней стороны цилиндрического сечения, диаметр D которого не превышает диаметр D цилиндрического сечения, с наружной стороны которого расположена группа впускных отверстий 16.
Радиальные сопловые лопатки 19 в своем выходном сечении сообщены по потоку газа с областью низкого давления 6, которая, в свою очередь, сообщена по потоку газа с атмосферой с помощью группы отверстий 21, выполненных в корпусе 4.
Пневматический двигатель работает следующим образом. Поток газа подводится к области высокого давления 5, которая отделена от области низкого давления 6 с помощью уплотнительной втулки 7. Далее поток газа поступает во входную камеру 2 через выполненные в валу 1 осевое отверстие 10 и группу радиальных отверстий 11. Затем поток газа поступает в промежуточную камеру 3, сформированную передней боковой стенкой 12, задней боковой стенкой 13, внутренней цилиндрической стенкой 14 и периферийной цилиндрической стенкой 15. Далее поток газа поступает к входному сечению радиальных сопловых лопаток 19 через группу перепускных отверстий 20. Проходя через радиальные сопловые лопатки 19, установленные на боковой поверхности диска 18 реактивной турбины, поток газа ускоряется, создавая реактивную силу и крутящий момент на валу 1. Передав энергию ротору, поток газа поступает в область низкого давления 6 и далее покидает пневматический двигатель через группу отверстий 21, выполненных в корпусе 4 (показано стрелками).
В регуляторе числа оборотов заявляемого пневматического двигателя используется принцип отрицательной обратной связи между частотой вращения ротора и перепадом давлений в реактивной турбине. Во время вращения ротора периферийная цилиндрическая стенка 9 входной камеры 2 передает вращение регулировочному эластичному кольцу 8, ограничивая его радиальное перемещение под воздействием центробежных сил. При этом происходит упругая деформация указанного кольца и соответствующее изменение формы его поперечного сечения, зависящее от частоты вращения ротора. В результате указанное кольцо частично перекрывает проходное сечение входной камеры 2 и, таким образом, осуществляет воздействие на давление потока газа в группе впускных отверстий 16, сообщающих входную камеру 2 с промежуточной камерой 3.
1
2
Одновременно с этим передняя боковая стенка 12 и задняя боковая стенка 13 промежуточной камеры 3 передают вращение дополнительному эластичному кольцу 17. В результате воздействия центробежных сил происходит упругая деформация указанного кольца и соответствующее увеличение длины окружности его средней линии, зависящее от частоты вращения ротора. Растягиваясь и сохраняя концентричное положение относительно оси ротора, дополнительное эластичное кольцо 17 частично перекрывает проходное сечение промежуточной камеры 3 на участке между диаметрами D и D. При этом положение указанного кольца зависит от частоты вращения ротора. Таким образом, дополнительное эластичное кольцо 17 осуществляет воздействие на давление потока газа в группе перепускных отверстий 20, сообщающих промежуточную камеру 3 с входным сечением радиальных сопловых лопаток 19.
В заявляемой конструкции реализовано ступенчатое снижение давления по ходу потока газа от входной камеры 2 к промежуточной камере 3 и далее к реактивной турбине. Это позволяет получить эквивалентное прототипу воздействие на перепад давлений потока газа в реактивной турбине при существенно большей площади проходного сечения входной камеры 2. Таким образом, обеспечивается снижение потерь энергии и повышение энергетической эффективности по сравнению с прототипом, что особенно существенно для относительно тихоходных пневматических двигателей.
Одновременно с этим, упругая деформация регулировочного эластичного кольца 8 во входной камере 2 приводит к снижению давления потока газа в группе впускных отверстий 16, расположенных с периферийной стороны дополнительного эластичного кольца 17. Соответственно, величина сил давления, воздействующих на указанное кольцо в центростремительном направлении, снижается, а возможность упругой деформации указанного кольца увеличивается. Поэтому заявляемая конструкция имеет более широкую область применения по сравнению с прототипом и может применяться в относительно тихоходных пневматических двигателях.
Пневматический двигатель энергетически эффективен, компактен и технологичен. Он может применяться в ручных пневматических шлифовальных машинах с частотой вращения менее 25000 об/мин. Все элементы пневматического двигателя могут быть выполнены на обычном производственном оборудовании.