СПИРАЛЬНАЯ МАШИНА
SPIRAL MACHINE

Изобретение относится к области вакуумного машиностроения и компрессоростроения и может быть использовано в спиральных вакуумных насосах, воздушных и холодильных компрессорных машинах для повышения удельных характеристик.
Задача повышения удельных характеристик вакуумных насосов и компрессоров актуальна и может быть решена путем снижения габаритных размеров и массы устройства при сохранении производительности.
Известна спиральная машина, которая может работать как насос или компрессор, состоящая из цилиндрического корпуса и двух спиральных элементов: подвижного и неподвижного (патент US №4303379, F04C 18/00, 1981). Каждый спиральный элемент состоит из торцевого диска и собственно спирали. Спирали подвижного и неподвижного спиральных элементов имеют одинаковую длину, торцевой диск подвижного спирального элемента имеет диаметр 2R-e (где R - расстояние от центра до конца спирали, е - эксцентриситет), а центр торцевого диска подвижного спирального элемента смещен от центра подвижной спирали к внешнему концу подвижной спирали на е/2, чтобы тем самым уменьшить диаметр цилиндрического корпуса компрессора. Если дополнительно центр неподвижной спирали смещен от центра цилиндрического корпуса машины к внешнему концу неподвижной спирали на е/2, то диаметр цилиндрического корпуса машины может быть сведен, как минимум, к величине 2R+e.
Недостатком данного технического решения является то, что при минимальном диаметре цилиндрического корпуса неподвижная спираль периодически выходит из контакта с торцевым диском подвижного спирального элемента, что приводит к снижению производительности и степени сжатия за счет увеличения перетеканий и возможного повреждения торцевого уплотнителя, размещенного на торце неподвижной спирали.
0
Известна спиральная машина, содержащая цилиндрический корпус с расположенными в нем двумя спиральными элементами, каждый из которых состоит из торцевого диска и эвольвентной спирали, причем спирали имеют одинаковые высоту, толщину и количество витков, один из спиральных элементов жестко закреплен в корпусе, другой вставлен в неподвижный спиральный элемент с возможностью совершения орбитального движения с эксцентриситетом относительно неподвижного спирального элемента, торцевой диск подвижного спирального элемента имеет минимальный диаметр d=2R+e (R - расстояние от центра до конца спирали, e - эксцентриситет), и его центр смещен относительно центра подвижной спирали на e/2 к внешнему концу подвижной спирали, а центр корпуса смещен относительно центра неподвижной спирали на e/2 к внешнему концу неподвижной спирали (патент US №4304535, F04C 18/02, 1981).
Спирали данной машины имеют одинаковую длину, что не позволяет уменьшить диаметр корпуса при сохранении производительности.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является спиральная машина, содержащая пару спиральных элементов, каждый из которых, включает торцевой диск и спираль, один из спиральных элементов выполнен с возможностью движения с эксцентриситетом е относительно другого, выполненного неподвижным, спиральные элементы в сборе образуют между собой по крайней мере пару замкнутых пространств, угол закрутки спирали неподвижного спирального элемента, больше угла закрутки спирали подвижного спирального элемента на 180 градусов (патент US №4417863, F01C 1/02, 1981).
Однако за счет того что центр торцевого диска подвижного спирального элемента совпадает с центром спирали, невозможно уменьшить габаритные размеры машины при сохранении производительности.
Задачей изобретения является повышение удельных характеристик спиральной машины за счет снижения размеров корпуса спиральной машины при сохранении производительности.
Б
Б
0
Б
Б
0
Б
2
3
Решение поставленной задачи достигается спиральной машиной, содержащей пару спиральных элементов, каждый из которых, включает торцевой диск и спираль, один из спиральных элементов выполнен с возможностью движения с эксцентриситетом е относительно другого, выполненного неподвижным, спиральные элементы в сборе образуют между собой по крайней мере пару замкнутых пространств, угол закрутки спирали неподвижного спирального элемента больше угла закрутки спирали подвижного спирального элемента на 180 градусов, центр торцевого диска подвижного спирального элемента смещен от центра спирали на расстояние πr/2 в направлении внешнего конца спирали и на расстояние πr/4 перпендикулярно этому направлению в сторону периферийного витка спирали, диаметр торцевого диска подвижного спирального элемента имеет величину 2(R+2πr-πr/2(1-0.14/n-0.54/n+0.012/n)), где R - расстояние от центра до конца внутренней стенки подвижной спирали, n - число витков подвижной спирали, r - радиус базовой окружности.
Решение задачи обеспечивает уменьшение габаритов корпуса машины по сравнению с прототипом при сохранении производительности.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
на фиг.1 показаны взаимные положения подвижного 1 и неподвижного 2 спиральных элементов в предлагаемой машине, где d - диаметр торцевого диска подвижного спирального элемента, D - диаметр торцевого диска неподвижного спирального элемента (расточки корпуса);
на фиг.2 показано построение основания подвижного спирального элемента, где O - центр спирали, O′ - центр торцевого диска, 1 - подвижная спираль, 1′ - внутренняя стенка подвижной спирали, продленная на один оборот, 2 - торцевой диск подвижного спирального элемента;
на фиг.3 представлена схема предлагаемой спиральной машины.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Спираль неподвижного спирального элемента, как и в прототипе, выполнена на 180 градусов длиннее спирали подвижного спирального элемента (фиг. 1). Это обеспечивает увеличение суммы отсеченных объемов и более полное использование рабочего пространства. Производительность спиральной машины определяется геометрией спиралей. В предлагаемой спиральной машине геометрия спиралей (высота, толщина, радиус базовой окружности и т.п.) по сравнению с прототипом остается неизменной, что обеспечивает сохранение производительности.
Для установки неподвижного спирального элемента в корпусе машины выполняется цилиндрическая расточка с диаметром, равным диаметру торцевого диска неподвижного спирального элемента D. Диаметр цилиндрической расточки корпуса машины D связан с диаметром торцевого диска подвижного спирального элемента d соотношением D=d+2e. Уменьшение диаметра торцевого диска подвижного спирального элемента позволит уменьшить диаметр корпуса.
Окружность торцевого диска подвижного спирального элемента строится исходя из условия отсутствия выхода торцевого уплотнителя неподвижного спирального элемента из контакта с торцевым диском подвижного спирального элемента при движении спиральных элементов. Из построения спиральных элементов следует, что траектория торцевого уплотнителя неподвижного элемента, спроецированная на торцевой диск подвижной спирали ограничена внутренней стенкой подвижной спирали, продолженной на один оборот 1′ (фиг. 2). Следовательно, окружность торцевого диска 2 должна быть описана вокруг кривой 1′. Была разработана программа, реализующая алгоритм поиска описанной окружности торцевого диска минимального диаметра для используемых в промышленности параметров спирали. Программа проводит построения множества окружностей торцевого диска с произвольными смещениями и диаметрами, удовлетворяющие перечисленным выше условиям. Из построенного множества выбираются окружности с минимальным диаметром. В результате статистической обработки данной выборки были получены формулы, для вычисления величины и направления смещения центра торцевого диска, при которых достигается минимальный диаметр основания подвижного спирального элемента и формула расчета диаметра торцевого диска.
Б
Б
Б
Расчеты показали, что наибольшее уменьшение диаметра корпуса машины возможно при условии смещения центра торцевого диска подвижного спирального элемента О′ от центра спирали О на расстояние πr/2 в направлении внешнего конца спирали и на расстояние πr/4 перпендикулярно этому направлению в сторону периферийного витка спирали, где r- радиус базовой окружности (фиг. 2) и диаметре торцевого диска подвижного спирального элемента, равном
0)
Б
Б
0
0
Б
2
3
2(R+2πr-πr/2(1-0.14/n-0.54/n+0.012/n)), где R - расстояние от центра до конца внутренней стенки спирали, n - число витков спирали. Тогда, как в прототипе, рассчитанный минимальный диаметр составляет 2(R+2πr.).
Б
2
3
Минимальный диаметр цилиндрической расточки корпуса предлагаемой машины в зависимости от числа витков неподвижной спирали меньше диаметра цилиндрической расточки корпуса прототипа при одинаковой производительности на πr (1-0.14/n-0.54/n+0.012/n), что составляет 2-8% для используемых в промышленности параметров спиралей.
Очевидно, что для обеспечения возможности движения подвижного спирального элемента центр торцевого диска неподвижного спирального элемента должен быть смещен от центра спирали неподвижного спирального элемента так, чтобы при совмещении центров спиралей он совпадал с центром торцевого диска подвижного спирального элемента.
Заявленный технический результат обеспечивается как для спиральной машины, в которой неподвижный спиральный элемент выполнен отдельно и закреплен в цилиндрической расточке корпусе, так и для спиральной машины, в которой неподвижный спиральный элемент выполнен заодно с корпусом. Основным преимуществом спирали, выполненной заодно с корпусом являются меньшие тепловые деформации за счет более интенсивного теплоотвода.
На фиг. 3 показана схема предлагаемой спиральной машины, в которой неподвижная спираль выполнена заодно с корпусом.
Спиральная машина содержит корпус 1 с выполненной в нем цилиндрической расточкой, внутри которой находится неподвижная спираль, составляющая с корпусом единое целое. Подвижный спиральный элемент 2 состоит из торцевого диска и спирали. Свободными концами спирали вставлены одна в другую. На торцах спиралей расположены торцевые уплотнители 3, которые практически упираются в поверхности торцевых дисков ответных спиральных элементов, снижая тем самым обратные перетекания через торцевой зазор. В качестве базовой кривой спиралей используется эвольвента. Спираль неподвижного спирального элемента на 180 градусов длиннее спирали подвижного спирального элемента (фиг. 1). Подвижный спиральный элемент насажен на эксцентриковый вал 4 и совершает орбитальное движение относительно неподвижной спирали. Для устранения дисбаланса на эксцентриковом валу также размещен балансир 5.
В корпусе со стороны подвижного спирального элемента 2 установлено противоповоротное устройство 6 для предотвращения поворота подвижного спирального элемента 2 относительно его геометрической оси. В верхней части корпуса в секторе между концами спиралей расположен всасывающий патрубок 7, а в центре цилиндрической расточки корпуса выполнено отверстие нагнетания.
Спиральная машина работает следующим образом. Всасывание осуществляется через патрубок 7. При орбитальном движении подвижного спирального элемента 2 относительно неподвижной спирали (корпуса) 1 между спиралями образуются две замкнутые полости. Сжатие и перемещение газа со стороны всасывания в сторону нагнетания происходит благодаря уменьшению объемов замкнутых полостей. В определенный момент происходит объединение замкнутых полостей друг с другом и вытеснение сжимаемой среды через нагнетательное отверстие.
В предлагаемой спиральной машине для используемых в промышленности параметров спирали диаметр корпуса на 2-8% меньше диаметра корпуса прототипа, а следовательно, спиральная машина имеет по сравнению с прототипом более высокие удельные характеристики.