РОТАЦИОННЫЙ КОМПРЕССОР
ROTARY COMPRESSOR

Изобретение относится к области компрессоростроения и касается компрессоров с катящимся ротором, к которым предъявляются высокие требования по габаритам, экономичности и возможности сжатия газов с большим перепадом давления в одной ступени.
Известен ротационный компрессор, содержащий корпус с всасывающим и нагнетательным окнами, в последнем из которых установлен одноименный клапан, эксцентрично размещенный в корпусе ротор и взаимодействующую с ним разделительную пластину, расположенную в подключенной к источнику охлаждающей и смазывающей жидкости полости корпуса и имеющую дроссельные отверстия, отверстия для впрыска жидкости и канал, сообщенный с ними и пространством полости над пластиной, полость подключена к источнику охлаждающей и смазывающей жидкости при помощи обратного клапана, а пластина расположена в этой полости с образованием поршневой пары, причем эта пластина имеет переменное поперечное сечение, и меньшее сечение обращено в сторону ротора, а большее - в сторону полости корпуса (см. патент США №4219314, кл. F04C 29/00, от 1980 г.).
Известен также ротационный компрессор с катящимся ротором, содержащий корпус с торцовыми крышками, всасывающим и нагнетательным окнами, в последнем из которых установлен одноименный клапан, эксцентрично размещенный в корпусе ротор и взаимодействующую с ним разделительную пластину, расположенную в подключенной к источнику охлаждающей и смазывающей жидкости полости корпуса с образованием поршневой пары, причем компрессор снабжен кожухом, охватывающим корпус и соединенным с упомянутой полостью через распределительное устройство, выполненное в виде отверстий с установленными в них втулками, имеющими конусообразные усеченные внутренние выступы с меньшим и большим диаметрами, причем последние обращены в сторону источника охлаждающей и смазывающей жидкости (Патент №2305207 от 27.08.07).
Недостатком вышеописанных конструкций является низкая эффективность устройств, обеспечивающих прокачку смазочно-охлаждающей жидкости. Так, например, при использовании обратных самодействующих клапанов, имеющих подвижные элементы, обладающие высокой инерцией, связанной как с массой самих элементов, так и особенно с инерционностью протекающей через них жидкости, невозможно использовать высокую частоту вращения ротора. Кроме того, выход из строя этих элементов (например - заклинивание в результате неизбежного износа) приводит к появлению гидравлического удара и разрушению конструкции. В то же время габариты и масса компрессора, а также утечки и перетечки газа, который он сжимает, т.е. экономичность машины, существенно зависят от частоты вращения ротора. Чем выше эта частота, тем меньше габариты и масса, и тем меньше удельные (за один цикл) потери работы с утечками и перетечками, т.е. тем выше экономичность компрессора, что особенно заметно при большой степени сжатия (большом перепаде давления). При использовании конусообразных втулок, выполняющих функции гидродиодов, необходимо обеспечить турбулентный режим движения жидкости, при котором начинает заметно проявляться эффект разности в гидравлическом сопротивлении прямого и обратного потока, что требует определенного изменения объема, описываемого разделительной пластины за один ее ход.
Задачей данного изобретения является повышение экономичности компрессора путем повышения эффективности работы системы прокачки смазочно-охлаждающей жидкости.
Поставленная задача может быть решена тем, что в ротационном компрессоре с катящимся ротором, содержащем корпус с торцовыми крышками, всасывающим и нагнетательным окнами, в последнем из которых установлен одноименный клапан, эксцентрично размещенный в корпусе ротор и взаимодействующую с ним разделительную пластину, расположенную в подключенной к источнику охлаждающей и смазывающей жидкости полости корпуса с образованием поршневой пары, причем компрессор снабжен кожухом, охватывающим корпус и соединенным с упомянутой полостью через распределительное устройство, выполненное в виде отверстий с установленными в них втулками, имеющими конусообразные усеченные внутренние выступы с меньшим и большим диаметрами, причем последние обращены в сторону источника охлаждающей и смазывающей жидкости, а разделительная пластина выполнена с переменным поперечным сечением, причем меньшее сечение обращено в сторону ротора, а большее - в сторону полости корпуса, необходимая для получения максимального эффекта площадь пластины, обращенная в сторону полости корпуса, определяется из соотношения
,
где F - площадь пластины; d - диаметр отверстий, в которых устанавливаются конусообразные втулки; ν - кинематическая вязкость смазывающей и охлаждающей жидкости; е - эксцентриситет положения ротора относительно корпуса; ω - угловая частота вращения ротора.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 схематично изображено сечение ротационного компрессора, на фиг.2 - фрагмент распределительного устройства при движении распределительной пластины вниз, на фиг.3 - фрагмент распределительного устройства при движения распределительной пластины вниз.
Компрессор (фиг.1) состоит из кожуха 1, охватывающего корпус 2, в котором на эксцентрике 3, соединенном с приводным валом 4, установлен ротор 5 (направление вращения ротора 5 показано стрелкой). Разделительная пластина 6 установлена в полости 7 корпуса, поджата в направлении ротора 5 пружиной 8 и образует с полостью 7 насосную полость 9. Разделительная пластина 6 имеет переменное поперечное сечение (в данном примере она выполнена Т-образной), причем меньшее сечение, имеющее ширину h, обращено в сторону ротора 5, а большее - в сторону насосной полости 9 и имеет ширину В. Длина разделительной пластины в направлении, параллельном оси приводного вала 4, равна L. Минимальная величина размера h равна величине удвоенного эксцентриситета е положения ротора 5 в корпусе 2. С насосной полостью 9 соединено распределительное устройство, выполненное в виде отверстий 10 и 11, в которые запрессованы втулки 12 и 13, имеющие конусообразные усеченные внутренние выступы 14 (см. также фиг.2 и фиг.3). Выступы 14 имеют больший и меньший диаметры, причем большие диаметры обращены в сторону источника охлаждающей и смазывающей жидкости, который в данном примере выполнен в виде резервуара 15, соединенного с отверстием 11. Отверстие 10, кроме того, соединено со входом первого теплообменника 16, выход которого соединен в зоне нагнетательного клапана 17 с охлаждающей полостью 18, размещенной в корпусе 1 вокруг цилиндра 2. Вход второго теплообменника 19 организован в зоне всасывающего окна 20, а его выход соединен с отверстием 11 в зоне подключения резервуара 15. Разделительная пластина 6 периодически разделяет цилиндр 2 на две полости 21 (всасывание) и 22 (сжатие и нагнетание). Резервуар 15 частично заполнен охлаждающей и смазывающей жидкостью, этой же жидкостью заполнены теплообменники 16, 19, охлаждающая полость 18, насосная полость 9 и отверстия 10 и 11.
Компрессор работает следующим образом (фиг.1).
При вращении приводного вала 4 вместе с ним вращается эксцентрик 3, который придает ротору 5 вращательное орбитальное движение, в результате чего ротор 5 своей наружной поверхностью катится по внутренней поверхности цилиндра 2, одновременно перемещая в полости 7 подпружиненную разделительную пластину 6. При этом рабочее тело (газ) всасывается через всасывающее окно 20 (при увеличении полости всасывания 21), а затем сжимается в полости сжатия и нагнетания 22 и подается потребителю через нагнетательный клапан 17.
Периодическое уменьшение и увеличение насосной полости 9, происходящее в результате возвратно-поступательного движения подпружиненной разделительной пластины 6, приводит к изменению давления в этой полости.
При движении разделительной пластины 6 вниз (см. также фиг.2) давление в насосной полости 9 падает, т.к. насосная полость 9 увеличивается, в результате чего охлаждающая и смазывающая жидкость из отверстий 10 и 11 через установленные в этих отверстиях втулки 12 и 13 стремится попасть в эту полость 9.
Движению охлаждающей и смазывающей жидкости через отверстие 10 препятствуют обратные вихревые потоки, возникающие при движении этой жидкости во встречно направленных впадинах, образованных конусообразными выступами 14 втулок 12 (направление движения жидкости показано стрелками). В связи с этим поток смазочно-охлаждающей жидкости, движущийся вдоль отверстия 10 в насосную полость 9, встречает большое гидравлическое сопротивление и имеет малый расход. Напротив, попутно направленные выступы 14 втулок 13 не препятствуют движению потока охлаждающей и смазывающей жидкости, в связи с чем гидравлическое сопротивление потоку, проходящему через отверстие 11 в направлении насосной полости 9, мало, а сам расход имеет большую величину.
Таким образом, при движении разделительной пластины 6 вниз заполнение насосной полости 9 происходит в основном через отверстие 11, и суммарный поток охлаждающей и смазывающей жидкости движется справа (по чертежу) налево.
При движении разделительной пластины 6 вверх (см. также фиг.3) объем насосной полости 9 уменьшается, и давление в ней возрастает, т.е. разделительная пластина 6 выталкивает охлаждающую и смазывающую жидкость из насосной полости 9. При этом поток, стремящийся из насосной полости 9 в направлении отверстия 11, встречает большое сопротивление в связи с наличием обратных вихревых потоков, возникающих во встречно направленных впадинах, образованных конусообразными выступами 14, и поэтому имеет малую величину (направление движения жидкости показано стрелками).
В то же время, попутно направленные выступы 14 втулок 13 в отверстии 10 не препятствуют движению потока охлаждающей и смазывающей жидкости, в связи с чем гидравлическое сопротивление потоку, проходящему через отверстие 10 в направлении к теплообменнику 16, мало, а сам расход имеет большую величину (направление движения жидкости показано стрелками).
В связи с вышеизложенным, при возвратно-поступательном движении разделительной пластины 6 возникает пульсирующий поток охлаждающей и смазывающей жидкости, направленный справа - налево (по чертежу) и протекающий из насосной полости 9 в отверстие 10 и далее через теплообменник 16, охлаждающую полость 18, теплообменник 19, отверстие 11, насосную полость 9, а затем - снова в отверстие 10. То есть - возникает замкнутое круговое движение смазочно-охлаждающей жидкости. Частично эта жидкость, через микрозазор между стенками полости 7 и разделительной пластиной 6, попадает в цилиндр 2 и разносится по его стенкам ротором 5, образуя тонкую смазочную пленку, предотвращающую активное трение ротора 5 о стенки цилиндра 2 и разделительную пластину 6, после чего со сжатым газом уносится через нагнетательный клапан 17. Расход охлаждающей и смазывающей жидкости пополняется из резервуара 15.
Совершая круговое движение, охлаждающая и смазывающая жидкость отдает в окружающую среду через теплообменник 16 теплоту трения, полученную при движении через отверстия 10 и 11, затем нагревается, отбирая теплоту у стенок цилиндра 2 и корпуса 1, которую они получают от сжимаемого газа, после чего снова попадает в теплообменник 19 и отдает через него теплоту в окружающую среду.
Исходя из кинематики движения ротора 5 предельно малая ширина h разделительной пластины 6 равна удвоенному эксцентриситету е (в реальных машинах h=2·(1,05-1,1)·e). Увеличение этого размера приводит к уменьшению рабочего объема компрессора и снижению его производительности. В то же время, эксперименты, проведенные авторами с модельным образцом компрессора, показали, что эффективная работа системы охлаждения возможна при организации хорошо турбулизированного режима течения смазочной и охлаждающей жидкости в зоне установки втулок 12 и 13. В частности, средняя величина числа Рейнольдса Re при течении этой жидкости в отверстиях 10 и 11 должна быть более 4000. При турбулентном режиме (Re>4000), как показали эксперименты, диодность (отношение расхода прямого потока к обратному) конусообразных втулок 12 и 13 не только достигает высоких значений, но и становится стабильной по величине (перестает зависеть от Re). Кроме того, рабочий диапазон становится достаточно большим, чтобы его можно было использовать при переменном расходе, обусловленном кинематикой движения разделительной пластины.
Для достижения этого эффекта в описанной выше конструкции верхняя часть разделительной пластины 6 (ее поперечное сечение) выполнена шире (В>h), чтобы увеличить производительность насосной полости 9 и обеспечить Re>4000.
П
П
Для определения площади верхней части разделительной пластины 6, выполняющей функцию поршня, из условия обеспечения достаточно высокого отношения расходов в ветвях системы, которое достигается при Re>4000, примем, что это условие должно сохраняться не менее чем на половине хода всасывания или нагнетания пластины. Исходя из этого минимальная скорость пластины υ, обеспечивающая получение заданного Re, должна достигаться при угле поворота, равном π/4 хода всасывания или нагнетания. Тогда подача Q пластины 6 определится по формуле
где F - площадь верхней части пластины 6 (F=B·L); е - эксцентриситет положения ротора 5 в корпусе 1; ω - угловая частота вращения ротора 5.
П
1
2
1
2
Учитывая, что подача пластины Q делится на две линии (влево и вправо по чертежу) с соотношением суммарных расходов Q и Q (Q - суммарный прямой расход, Q - суммарный обратный расход) порядка 1,1-1,3, получим
Б
где Q - расход смазочной и охлаждающей жидкости только в прямом направлении.
Б
Расход Q, выраженный через Re, будет иметь вид
где d - диаметр отверстий 12 и 13.
Б
Подставив Q из формулы (3) в (2), получим
,
откуда выразим площадь верхней части пластины как
.
Подставив в полученное выражение значение Re≥4000 и округлив, окончательно получим
Зная длину разделительной пластины L, которая вместе с другими параметрами компрессора определяется его производительностью, можно рассчитать требуемую ширину В ее верхней части, которая обеспечит высокую эффективность работы системы охлаждения компрессора.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет за счет высокой эффективности работы системы охлаждения обеспечить повышение экономичности, уменьшение габаритов и массы компрессора, а полученное выражение для определения площади части пластины, обращенной в сторону полости корпуса, позволяет конкретизировать размеры пластины, обеспечивающие достижение поставленной задачи.