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 пневматические двигатели таких машин должны быть энергетически эффективными, компактными и технологичными. Указанным требованиям удовлетворяют пневматические двигатели, в которых турбинные приводы работают совместно с регуляторами числа оборотов, действие которых основано на реализации принципа отрицательной обратной связи между частотой вращения ротора и перепадом давлений в турбинном приводе.
Известен пневматический двигатель (Патент США №4776752, 1988), содержащий реактивную турбину с радиальными сопловыми лопатками и регулятор числа оборотов. Последний выполнен в виде регулировочной камеры с эластичным кольцом, установленным с возможностью упругой деформации под воздействием центробежных сил. Во время вращения ротора внутренняя поверхность периферийной цилиндрической стенки регулировочной камеры передает вращение эластичному кольцу, ограничивая его радиальное перемещение под воздействием центробежных сил. При этом происходит упругая деформация и изменение ширины эластичного кольца, зависящие от частоты вращения ротора. В результате эластичное кольцо частично перекрывает сквозные прорези в периферийной цилиндрической стенке, препятствуя потоку газа. Таким образом, осуществляется воздействие на перепад давлений в реактивной турбине.
Поток газа подводится к регулятору числа оборотов с его внутренней стороны через впускные отверстия, выполненные во внутренней цилиндрической стенке регулировочной камеры. При этом входное сечение радиальных сопловых лопаток размещено с периферийной стороны регулятора числа оборотов. Пневматический двигатель компактен и технологичен, однако в описываемой конструкции диаметр периферийной цилиндрической стенки регулировочной камеры ограничен диаметром входного сечения радиальных сопловых лопаток. Поэтому в условиях жестких ограничений, предъявляемых к габаритным размерам ручных пневматических шлифовальных машин, диаметр средней линии эластичного кольца не может превышать 35…40 мм. Центробежные силы на этом диаметре невелики, поэтому ширина эластичного кольца при упругой деформации не может изменяться в широких пределах. Это не позволяет обеспечить на номинальных режимах работы пневматического двигателя площадь проходного сечения регулировочной камеры, достаточную для свободного прохода потока газа мимо эластичного кольца.
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 подводящее устройство и ротор, включающий в себя вал с установленными на нем реактивной турбиной, образованной радиальными сопловыми лопатками, размещенными между двумя боковыми дисками, и регулятором числа оборотов, выполненным в виде регулировочной камеры с эластичным кольцом, установленным с возможностью упругой деформации под воздействием центробежных сил, причем регулировочная камера сформирована периферийной цилиндрической стенкой, внутренней цилиндрической стенкой, боковой пластиной, расположенной со стороны подводящего устройства, и боковой стенкой, расположенной со стороны реактивной турбины и содержащей перепускные отверстия, сообщающие по потоку газа регулятор числа оборотов с входным сечением радиальных сопловых лопаток.
Во время вращения ротора внутренняя поверхность периферийной цилиндрической стенки регулировочной камеры передает вращение эластичному кольцу, ограничивая его радиальное перемещение под воздействием центробежных сил. При этом происходит упругая деформация и изменение ширины эластичного кольца, зависящие от частоты вращения ротора. В результате указанное кольцо частично перекрывает перепускные отверстия, препятствуя потоку газа. Таким образом, осуществляется воздействие на перепад давлений в реактивной турбине.
В пневматическом двигателе диаметр средней линии эластичного кольца не ограничен диаметром входного сечения радиальных сопловых лопаток. Это позволяет обеспечить достаточную площадь сечения для свободного прохода потока газа мимо эластичного кольца. При этом радиальный размер перепускных отверстий жестко ограничен величиной диаметра поперечного сечения эластичного кольца, который не может превышать 4…5 мм. Это не позволяет обеспечить площадь сечения перепускных отверстий, достаточную для свободного прохода потока газа, и приводит к возникновению существенных гидравлических потерь.
Следует отметить, что регулятор числа оборотов и реактивная турбина пневматического двигателя представляют собой два независимых конструктивных элемента. Поток газа подводится к регулятору числа оборотов со стороны подводящего устройства через впускные отверстия в боковой пластине регулировочной камеры. При этом движение потока газа от регулятора числа оборотов к реактивной турбине осуществляется через осевое отверстие в валу и сопряжено с дополнительными гидравлическими потерями. Такая конструкция энергетически неэффективна, громоздка и нетехнологична.
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.
Указанный результат достигается тем, что в пневматическом двигателе, содержащем подводящее устройство и ротор, включающий в себя вал с установленными на нем реактивной турбиной, образованной радиальными сопловыми лопатками, размещенными между двумя боковыми дисками, и регулятором числа оборотов, выполненным в виде регулировочной камеры с эластичным кольцом, установленным с возможностью упругой деформации под воздействием центробежных сил, причем регулировочная камера сформирована периферийной цилиндрической стенкой, внутренней цилиндрической стенкой, боковой пластиной, расположенной со стороны подводящего устройства, и боковой стенкой, расположенной со стороны реактивной турбины и содержащей перепускные отверстия, сообщающие по потоку газа регулятор числа оборотов с входным сечением радиальных сопловых лопаток, регулятор числа оборотов сообщен по потоку газа с подводящим устройством с помощью впускных отверстий, выполненных во внутренней цилиндрической стенке, и содержит опорное ребро, имеющее форму диска с центральным отверстием и размещенное с внутренней стороны периферийной цилиндрической стенки в осевом зазоре между боковой пластиной и боковой стенкой, а эластичное кольцо установлено с прилеганием к внутренней цилиндрической поверхности указанного ребра, причем диаметр средней линии эластичного кольца не превышает диаметр цилиндрического сечения, с периферийной стороны которого расположены перепускные отверстия.
На фиг. 1 приведен продольный разрез пневматического двигателя в момент запуска; на фиг. 2 - местный продольный разрез пневматического двигателя во время вращения ротора; на фиг. 3 - местный разрез Α-A на фиг. 2, на фиг. 4 - местный разрез Б-Б на фиг. 2.
Пневматический двигатель содержит подводящее устройство, расположенное в области высокого давления, отводящее устройство, расположенное в области атмосферного давления, и ротор. Последний включает в себя вал 1 с установленными на нем реактивной турбиной и регулятором числа оборотов. Подводящее устройство образовано выполненной в корпусе 2 впускной камерой 3, которая сообщена с цилиндрической камерой 4, присоединенной к валу 1. Отводящее устройство образовано выполненной в корпусе 2 выпускной камерой 5, которая сообщена с атмосферой при помощи отверстий 6 в корпусе 2. Уплотнительная втулка 7, прикрепленная к корпусу 2, расположена с периферийной стороны цилиндрической камеры 4.
Реактивная турбина образована радиальными сопловыми лопатками 8, которые размещены между боковыми дисками 9 и 10. Регулятор числа оборотов выполнен в виде регулировочной камеры 11 с эластичным кольцом 12.
Регулировочная камера 11 сформирована периферийной цилиндрической стенкой 13, внутренней цилиндрической стенкой 14, боковой пластиной 15, расположенной со стороны подводящего устройства, и боковой стенкой 16, расположенной со стороны реактивной турбины. В боковой стенке 16 выполнены перепускные отверстия 17, сообщающие по потоку газа регулятор числа оборотов с входным сечением радиальных сопловых лопаток 8 реактивной турбины. Регулятор числа оборотов сообщен по потоку газа с подводящим устройством с помощью впускных отверстий 18, выполненных во внутренней цилиндрической стенке 14 регулировочной камеры 11.
1
2
Регулятор числа оборотов содержит опорное ребро 19, имеющее форму диска с центральным отверстием и размещенное с внутренней стороны периферийной цилиндрической стенки 13 в осевом зазоре между боковой пластиной 15 и боковой стенкой 16. Эластичное кольцо 12 установлено с прилеганием к внутренней цилиндрической поверхности 20 опорного ребра 19, с возможностью упругой деформации под воздействием центробежных сил. Диаметр средней линии D эластичного кольца 12 не превышает диаметр цилиндрического сечения D, с периферийной стороны которого расположены перепускные отверстия 17.
Опорное ребро 19 может быть прорезано сквозными окнами 21, предназначенными для выравнивания давлений с противоположных сторон эластичного кольца 12.
Пневматический двигатель работает следующим образом. Поток газа поступает во впускную камеру 3 и затем через цилиндрическую камеру 4 подводится к регулятору числа оборотов с его внутренней стороны. Далее поток газа поступает в регулировочную камеру 11 через впускные отверстия 18, выполненные во внутренней цилиндрической стенке 14. Затем поток газа, двигаясь в периферийном направлении по регулировочной камере 11, проходит через зазор между эластичным кольцом 12 и боковой стенкой 16 к перепускным отверстиям 17. Сквозные окна 21 в опорном ребре 19 выравнивают давления с противоположных сторон эластичного кольца 12.
Покинув регулировочную камеру 11, потока газа поступает к входному сечению радиальных сопловых лопаток 8, размещенных между боковыми дисками 9 и 10. В процессе движения через радиальные сопловые лопатки 8 поток газа ускоряется, создавая реактивную силу и крутящий момент на валу 1. Передав энергию ротору, поток газа проходит в выпускную камеру 5 и затем выходит в атмосферу через отверстия 6 в корпусе 2. Уплотнительная втулка 7 отделяет по потоку газа область высокого давления от области атмосферного давления. Движение потока газа показано стрелками.
В момент запуска эластичное кольцо 12 находится в недеформированном состоянии, а его ширина равна диаметру его поперечного сечения. Во время вращения ротора внутренняя цилиндрическая поверхность 20 опорного ребра 19 передает вращение эластичному кольцу 12, ограничивая его радиальное перемещение под воздействием центробежных сил. При этом происходит упругая деформация и изменение ширины эластичного кольца 12, зависящие от частоты вращения ротора. В результате указанное кольцо частично перекрывает осевой зазор между боковой пластиной 15 и боковой стенкой 16, препятствуя потоку газа. Таким образом, осуществляется воздействие на перепад давлений в реактивной турбине.
В заявляемом пневматическом двигателе диаметр средней линии эластичного кольца не ограничен диаметром входного сечения радиальных сопловых лопаток. Это позволяет, как в прототипе, обеспечить достаточную площадь сечения для свободного прохода потока газа мимо эластичного кольца 12. Одновременно с этим, радиальный размер перепускных отверстий 17 не ограничен величиной диаметра поперечного сечения эластичного кольца 12. Это позволяет выполнять указанные отверстия с любой необходимой для свободного прохода потока газа площадью сечения, что повышает энергетическую эффективность пневматического двигателя по сравнению с прототипом.
В описанной конструкции поток газа подводится к регулятору числа оборотов с его внутренней стороны. При этом в пневматическом двигателе регулятор числа оборотов и реактивная турбина совмещены в единый конструктивный элемент, что обеспечивает компактность и технологичность пневматического двигателя. Движение потока газа от регулятора числа оборотов к реактивной турбине не сопряжено с существенными гидравлическими потерями.
Заявляемый пневматический двигатель может широко использоваться в ручных пневматических шлифовальных машинах. Все элементы конструкции могут быть выполнены на обычном производственном оборудовании.