ОБЪЕМНАЯ РОТОРНАЯ МАШИНА
DISPLACEMENT ROTARY MACHINE

Изобретение относится к роторным машинам объемного вытеснения и может быть использовано в качестве компрессора, детандера, насоса, гидравлического, пневматического и теплового двигателя.
Известна роторная машина, имеющая сепаратор с внутренним венцом и эксцентрично расположенный ротор с наружным венцом, причем сепаратор имеет на один зуб больше, чем ротор, а зубья одного из венцов образованы роликами, расположенными с возможностью вращения; ролики имеют на своей поверхности, по меньшей мере, три осепараллельные выемки, с которыми зацепляются зубья другого венца (патент DE 4311166, F04С 2/10, 1994).
Недостатком этой гидравлической машины является перенос рабочего тела из одной камеры в другую в объемах осепараллельных выемок. Конструкция сепаратора и ротора в этой схеме не позволяет обеспечить эффективное заполнение и выход рабочего тела из рабочих камер, что приводит к снижению кпд машины.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является объемная роторная машина (патент RU №44155, F04C 2/28, 27.02.2005). В корпусе известной объемной роторной машины рабочие камеры получены односторонним совместным вращением вокруг своих центральных осей ротора и сепаратора с роликами. Ролики в количестве на единицу больше числа зубьев ротора установлены в крышки сепаратора с возможностью вращения относительно своих осей и качения по внутреннему цилиндру корпуса.
Величина диаметра роликов находится в пределах от двойного до 2,1 межцентрового расстояния. Профиль ротора образован в форме огибающей роликов, а профиль сепаратора - в виде части огибающей зубьев ротора.
Недостатком известной объемной роторной машины является отсутствие уплотняющих элементов радиального зазора между сепаратором и корпусом. В данной машине ролики радиально жестко зафиксированы относительно их осей в сепараторе. Для компенсаций неточности изготовления деталей и их тепловых деформаций в процессе работы в машине выполнены радиальные щелевые зазоры между сепаратором, роликами и корпусом. Уменьшение величины зазора с целью повышения действительной производительности машины приводит, во-первых, к резкому росту гидравлических потерь на трение о газомасляную смесь в зазоре и, во-вторых, может привести к заклиниванию сепаратора в корпусе. Увеличение величины зазора приводит к росту утечек компримируемой среды со стороны высокого давления на сторону низкого, что приводит к снижению кпд.
Задачей изобретения является повышение кпд объемной роторной машины.
Техническая задача решается тем, что в объемной роторной машине, содержащей корпус с внутренней цилиндрической поверхностью и установленные в нем с образованием рабочих камер ротор с зубьями и сепаратор с роликами, число которых на единицу больше числа зубьев ротора, профиль ротора выполнен в форме огибающей окружности роликов, внутренний профиль частей сепаратора между роликами - в форме части огибающих зубьев ротора, согласно изобретению ролики установлены в расточках сепаратора с возможностью радиального перемещения в пределах зазора между вращающимся сепаратором и внутренней поверхностью корпуса, а в каждой расточке симметрично относительно точки контакта расточки с наружной поверхностью сепаратора выполнен паз.
За счет наличия в каждой расточке под ролики паза, симметричного относительно точки контакта расточки с наружной поверхностью сепаратора, и установки роликов в расточках сепаратора с возможностью не только их свободного вращения относительно своих осей, но и радиального перемещения в пределах зазора между вращающимся сепаратором и внутренней поверхностью корпуса под действием центробежной силы ролики отжимаются к корпусу, тем самым уплотняя радиальный зазор, что приводит к повышению действительной производительности машины.
Оптимальная ширина паза составляет 0,3-0,4 диаметра расточки. Меньшая величина паза не позволит ролику существенно занизить уплотняемый зазор, а большая приведет к значительному уменьшению опорной поверхности расточки, что снизит надежность машины. При вращении сепаратора относительно своей центральной оси ролики отжимаются в радиальном направлении за пределы наружного диаметра сепаратора до контакта с расточками в сепараторе, уплотняя радиальную щель между корпусом и сепаратором (контактное уплотнение), что приводит к росту кпд машины. Размер радиальной щели при этом снижается до нуля (при контакте ролика с корпусом), это дает возможность выполнять больший радиальный зазор между расточкой корпуса и сепаратором, что невозможно осуществить в прототипе. Это снижает гидродинамические потери на трение, а также делает машину менее чувствительной к попаданию в зазор механических включений. Увеличение профильного зазора между поверхностью ротора и роликом при его отжатии ощутимо только на стороне всасывания и в самом начале уменьшения объема камеры, что практически не влияет на производительность и кпд машины. Затем этот зазор постепенно выбирается за счет передачи крутящего момента от ролика сепаратора к ротору по мере перемещения камеры к окну нагнетания и перестает оказывать влияние на производительность машины.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
на фиг.1 представлен общий вид устройства в продольном разрезе;
на фиг.2 изображен поперечный разрез устройства в плоскости А-А;
на фиг.3 представлен вид одного ролика на оси в расточке сепаратора и уплотнение радиальной щели за счет радиального смещения ролика.
Объемная роторная машина содержит корпус 1 с цилиндрической расточкой 2, в которой расположен сепаратор 3 с торцевой крышкой 4. Внутри сепаратора 3 расположен ротор 5 на опоре 6. В сепараторе 3 выполнены цилиндрические расточки 7, в которые установлены ролики 8 на осях 9, в каждой расточке 7 на сепараторе 3 симметрично относительно точки контакта расточки 7 с наружной окружностью сепаратора 3 выполнен паз 10, также на сепараторе 3 выполнены продольные окна 11. Привод 12 соединен валом 13 с сепаратором 3. Машина имеет систему каналов 14 для подвода смазки к парам трения и в рабочие камеры 15. Окна всасывания 16 и нагнетания 17 выполнены на цилиндрической расточке 2. В корпусе 1 выполнены отверстия для всасывания 18 и нагнетания 19 рабочего тела.
В компрессорном и насосном режимах для сжатия и перемещения рабочего тела машина работает следующим образом. При вращении сепаратора 3 с роликами 8 последние взаимодействуют с зубьями ротора 5. Между поверхностями ротора 5, сепаратора 3 с крышкой 4 и расточкой 2 образуются рабочие камеры 15, объем которых по ходу вращения циклически изменяется. В процессе роста объема камер 15 от некоторой минимальной величины происходит всасывание газа через продольные окна 11 в сепараторе 3. В момент достижения максимального объема камеры 15 она отсекается от окна всасывания 16 и далее существует как замкнутая полость, объем которой уменьшается, происходит внутреннее сжатие газа в ней. В момент соединения полости с кромкой окна нагнетания 17 начинается процесс нагнетания газа через продольное окно 11, окно нагнетания 17 в отверстие 19. В конце процесса нагнетания объем полости снижается до небольшой остаточной величины - перевального объема, который переносится на всасывание. В режиме двигателя и детандера рабочая среда поступает через отверстие 19, окна 17 и 11 в рабочую камеру 15 переменного объема. Вращение ротора 5 и сепаратора 3 происходит в направлении, обратном компрессорному режиму. Объем рабочей камеры увеличивается за счет совершения работы расширяющимся потоком, давление которого снижается. Выпуск газа производится через окно 16 и отверстие 18. При вращении сепаратора 3 происходит радиальное смещение роликов 8 относительно их осей 9 в пределах зазора и их качение по цилиндрической поверхности расточки 2.
При уплотнении объемов рабочих камер по радиусу в соединении подвижных элементов преобладает трение качения, что снижает механические потери в условиях ограниченной смазки и повышает кпд машины. Потери мощности на трение по плоскостям крышек сепаратора и ротора невелики ввиду малых скоростей взаимного скольжения их поверхностей.
Предлагаемая объемная роторная машина за счет установки роликов с возможностью радиального перемещения в пределах зазора между вращающимся сепаратором и внутренней поверхность корпуса и наличие паза, симметричного относительно точки контакта окружности расточки под ролик с наружной поверхностью сепаратора, обеспечивает повышение кпд в среднем на 4-6%.