РОТОРНО-ПОРШНЕВАЯ ГИБРИДНАЯ МАШИНА ОБЪЕМНОГО ДЕЙСТВИЯ
VOLUMETRIC ACTION ROTARY-PISTON HYBRID MACHINE

Изобретение относится к области энергетических машин объемного действия и может быть использовано пи создании высокоэффективных источников энергии для одновременного питания пневматического и гидравлического оборудования.
Известна роторная машина объемного действия, содержащая всасывающее окно и нагнетательный клапан, рабочий цилиндр с размещенным в нем основным ротором, имеющим, но крайней мере, один выступ, радиус которого равен радиусу цилиндра, и вспомогательный ротор, имеющий впадину для размещения в ней выступа основного ротора, причем оба ротора имеют кинематическую связь, обеспечивающую их синхронное вращение, причем основной и вспомогательный роторы размещены таким образом, что их оси скрещиваются, а плоскость вращения вспомогательного ротора находится под углом 90° к плоскости вращения основного ротора, а торцевая поверхность вспомогательного ротора, обращенная в сторону цилиндра, расположена относительно оси вращения основного ротора на расстоянии, равном радиусу основного ротора (см. RU 11211 U1, 10.12.2011).
Известна также роторная машина объемного действия, содержащая всасывающее окно и нагнетательный клапан, соединенные соответственно с линией всасывания и нагнетания жидкости, рабочий цилиндр с размещенным в нем основным ротором, имеющим, по крайней мере, один выступ, радиус которого равен радиусу цилиндра, и вспомогательный ротор, имеющий впадину для размещения в ней выступа основного ротора, причем оба ротора имеют кинематическую связь, обеспечивающую их синхронное вращение, а основной и вспомогательный роторы размещены таким образом, что их оси скрещиваются, и плоскость вращения вспомогательного ротора находится под углом 90° к плоскости вращения основного ротора, причем торцевая поверхность вспомогательного ротора, обращенная в сторону цилиндра, расположена относительно оси вращения основного ротора на расстоянии, равном радиусу основного ротора, и параллельно плоскости вращения основного ротора установлен дополнительный ротор, размещенный в дополнительном цилиндре с торцовыми стенками, всасывающим окном и нагнетательным клапаном и кинематически связанный с основным ротором, причем выступ дополнительного ротора ориентирован но отношению к выступу основного ротора под углом 180°, и основной ротор приводится во вращение приводным валом (см. RU  2520774 C1, 27.06.2014).
К недостатку известных конструкций следует отнести низкое отношение производительности к общей массе машины (низкая удельная мощность), т.к. дополнительный цилиндр участвует в работе на незначительном участке цикла, а его торцовая стенка имеет сложную конструкцию. Кроме того, имея два цилиндра, известная машина работает только с одним рабочим телом, что сужает область ее применения.
Технической задачей изобретения является расширение области применения машины и повышение ее удельной мощности.
Указанная задача решается тем, что в известной роторной машине объемного действия, содержащей всасывающее окно и нагнетательный клапан, соединенные соответственно с линией всасывания и нагнетания жидкости, рабочий цилиндр с размещенным в нем основным ротором, имеющим, по крайней мере, один выступ, радиус которого равен радиусу цилиндра, и вспомогательный ротор, имеющий впадину для размещения в ней выступа основного ротора, причем оба ротора имеют кинематическую связь, обеспечивающую их синхронное вращение, а основной и вспомогательный роторы размещены таким образом, что их оси скрещиваются, и плоскость вращения вспомогательного ротора находится под углом 90° к плоскости вращения основного ротора, причем торцевая поверхность вспомогательного ротора, обращенная в сторону цилиндра, расположена относительно оси вращения основного ротора на расстоянии, равном радиусу основного ротора, и параллельно плоскости вращения основного ротора установлен дополнительный ротор, размещенный в дополнительном цилиндре с торцовыми стенками, всасывающим окном и нагнетательным клапаном, и кинематически связанный с основным ротором, причем выступ дополнительного ротора ориентирован по отношению к выступу основного ротора под углом 180°, и основной ротор приводится во вращение приводным валом, согласно изобретению всасывающее окно и нагнетательный клапан дополнительного цилиндра соединены, соответственно с источником и потребителем газа, причем приводной вал снабжен кривошипом, с которым сопряжен шатун с шарнирно соединенным с ним поршнем, расположенным в жидкостном цилиндре, имеющем всасывающий клапан, соединенный с линией всасывания жидкости, нагнетательный клапан, соединенный с линией нагнетания жидкости, а также перепускной канал, соединяющий цилиндр с линией всасывания жидкости через подпружиненный золотник, расположенный в торцовой части цилиндра с возможностью взаимодействия с днищем поршня вдоль оси цилиндра, и байпасный канал, один конец которого имеет выход на боковую внутреннюю поверхность жидкостного цилиндра, а другой конец соединен с линией всасывания жидкости.
На кривошипе приводного вала может быть установлен дополнительный шатун с поршнем, размещенным в пневматическом цилиндре, имеющем всасывающий и нагнетательный клапаны, причем всасывающий клапан соединен с линией всасывания газа, а нагнетательный клапан - с линией нагнетания газа.
Всасывающий клапан пневматического цилиндра может быть соединен с линией нагнетания дополнительного цилиндра.
Устройство машины поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематично изображено сечение машины плоскостью, проходящей через ось приводного вала и перпендикулярной плоскости вспомогательного ротора.
На фиг. 2 изображена машина со снятой передней крышкой.
На фиг. 3 изображено сечение машины плоскостью, параллельной оси приводного вала и перпендикулярной плоскостям основного и дополнительного роторов.
На фиг. 4 и фиг. 5 показаны диаграммы работы машины.
В данном примере показан вариант машины с двухступенчатым сжатием газа.
Насос состоит (фиг. 1 и фиг. 2) из корпуса 1, рабочего 2 и дополнительного 3 цилиндров, имеющих одинаковый диаметр и высоту, приводного 4, вспомогательного 5 и дополнительного 6 валов, на концах которых имеются соответственно зубчатые колеса 7, 8 и 9, образующие кинематическую связь между приводным валом 4, вспомогательным валом 5 и дополнительным валом 6.
В цилиндрах 2 и 3 размещены основной 10 и дополнительный 11 роторы, имеющие выступы 12 и 13, ориентированные под углом 180° друг к другу, радиусы выступающей части которых одинаковы и равны радиусам цилиндров 2 и 3. Роторы 10 и 11 соединены с валами 4 и 6 с помощью шпонок 14 и 15. Плоскость дополнительного цилиндра 3 параллельна плоскости вращения основного ротора 10.
На вспомогательном валу 5 установлен соединенный с помощью шпонки 16 вспомогательный ротор 17 в плоскости, находящейся под углом 90° к плоскости вращения основного ротора 10. Ротор 17 имеет впадину 18 для размещения выступов 12 и 13 при синхронном и противоположно направленном вращении валов 4 и 6 с роторами 10 и 11, и его рабочая торцовая поверхность, обращенная в сторону цилиндров 2 и 3, расположена относительно оси вращения основного 10 и дополнительного 11 роторов на расстоянии, равном радиусу этих роторов.
Валы 4, 5 и 6 вращаются в подшипниковых узлах 19, 20 и 21, болтовые соединения 22 и 23 служат соответственно для стяжки передней 24 крышки, цилиндров 2 и 3 и задней крышки 25, а также для крепления колпака 26.
В крышках 24 и 25 расположены соответственно соединенные между собой коммуникациями (условно на фиг. 1 не показаны) всасывающие окна 27 и 28, соединенные с линиями всасывания (условно на фиг. 1 и фиг. 2 не показаны), а также нагнетательные клапаны 29 и 30 (см. также фиг. 2 и фиг. 3), соединенные с линиями нагнетания (условно на фиг. 1 и фиг. 2 не показаны). Контуры всасывающего окна 27 и нагнетательного клапана 29 показаны штриховыми линиями на фиг. 2. Они расположены под углом α друг к другу. Этот угол определяется разностью между радиусом ротора 10 и радиусом окружности цилиндра 2 и размерами окна 27 и клапана 29.
Всасывающее окно 28 и нагнетательный клапан 30 дополнительного цилиндра 11 (фиг. 3) соединены соответственно с источником 31 и потребителем газа. В качестве потребителя газа, нагнетаемого через клапан 30, в данном примере выступает пневматический цилиндр 32. Приводной вал 4 снабжен кривошипом 33, с которым сопряжен шатун 34, шарнирно соединенный с поршнем 35, расположенным в жидкостном цилиндре 36. Этот цилиндр имеет всасывающий клапан 37, соединенный с источником жидкости 38 линией всасывания жидкости 39, и нагнетательный клапан 40, соединенный с линией нагнетания жидкости 41, которая, в свою очередь, соединена с потребителем жидкости 42. В цилиндре 36 имеется перепускной канал 43, соединяющий этот цилиндр с линией всасывания жидкости 39 через подпружиненный золотник 44, расположенный в торцовой части цилиндра 36, с возможностью взаимодействия с днищем поршня 35 вдоль оси цилиндра 36. В этом цилиндре размещен также байпасный канал 45, один конец которого имеет выход на боковую внутреннюю поверхность жидкостного цилиндра 36, а другой конец соединен с линией всасывания жидкости 39.
На кривошипе 33 приводного вала установлен дополнительный шатун 46 с дополнительным поршнем 47, размещенным в пневматическом цилиндре 32, который имеет всасывающий 48 и нагнетательный 49 клапаны. Всасывающий клапан 48 пневматического цилиндра 32 соединен с линией нагнетания газа 50 дополнительного цилиндра 11 через теплообменник 51, а нагнетательный клапан - с линией нагнетания газа 52, которая соединена с потребителем газа 53.
Цилиндры 32 и 36 имеют фланцы, через которые они с помощью болтов 54 притянуты к крышкам 24 и 25.
ОТ
На фиг. 4 по оси абсцисс отложен в градусах угол ϕ поворота ротора 10 и вращающегося вместе с ним кривошипа 33, при этом за «ноль» принято положение, изображенное на фиг. 1. По оси ординат отложена относительная подача Q жидкости ротором 10, поршнем 35 и их совместная относительная подача.
ОТ
На фиг. 5 по оси абсцисс отложен угол ϕ поворота кривошипа 33, а по оси ординат - относительная подача Q жидкости поршнем 35.
ОТ
ϕ
max
ϕ
max
При этом Q=Q/Q, где Q - значение подачи жидкости по углу поворота ϕ, а Q- максимальная подача.
Машина работает следующим образом.
При вращении основного вала 4 (фиг. 1) вместе с основным ротором 10 и выступом 12 вращается и вспомогательный вал 5 со вспомогательным ротором 17 и впадиной 18 (вращение передается через зубчатое зацепление 7-8). Зубчатое колесо 8 через зубчатое колесо 9 вращает дополнительный вал 6 с дополнительным ротором 11 и выступом 13. Таким образом, роторы 10 и 11 вращаются синхронно в противоположных направлениях в своих цилиндрах соответственно 2 и 3. При этом постоянно сохраняется их однозначное положение относительно вспомогательного ротора 17 с впадиной 18 таким образом, что выступ 12, как и выступ 13, создают зацепление с впадиной 18, которое, в частности, может быть и бесконтактным. То есть впадина 18 служит исключительно для того, чтобы «пропустить» выступы 12 и 13 при взаимном вращении роторов 10 и 11 с ротором 17.
При выходе выступа 12 из зацепления с впадиной 18 (фиг. 2) он сначала перекрывает всасывающее окно 27, отсекая полость цилиндра 2 от линии всасывания, а затем сжимает рабочую жидкость и вытесняет ее через нагнетательный клапан 29 в линию нагнетания до тех пор, пока выступ 12 не перекроет полностью нагнетательный клапан. Этот процесс происходит за (360-α) градусов. В течение этого процесса рабочая жидкость вслед за выступом 12 поступает из всасывающего окна 27 в полость цилиндра 2. Как только выступ 2 входит во впадину 18, вся полость цилиндра 2 соединяется с всасывающим окном 27 и в ней устанавливается давление всасывания, а нагнетательный клапан полностью закрывается. Это процесс длится в течение поворота основного ротора 10 на α градусов. Затем процесс повторяется.
Таким образом, работа основного ротора 10 обеспечивает непрерывную и постоянную (постоянная величина расхода) подачу рабочей жидкости на протяжении (360-α) градусов поворота основного вала 4. В течение поворота ротора 10 на α градусов подача рабочей жидкости ротором 10 полностью отсутствует (см. также фиг. 4).
Одновременно с ротором 10 вращается кривошип 33, в результате чего поршень 35 совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре 36. Кривошип 33 установлен на валу 4 таким образом относительно ротора 10, что в тот момент, когда нагнетание жидкости ротором 10 прекращается («начало» угла α, поршень 35 движется вправо по рисунку), сжимающий жидкость поршень 35 отсекает байпасный канал 45, соединяющий цилиндр 36 с линией всасывания жидкости 39, полость цилиндра замыкается (золотник 44 закрыт) и поршень 35 начинает вытеснять жидкость из цилиндра 36 через нагнетательный клапан 40 в линию нагнетания 41 и далее потребителю жидкости 42, поддерживая почти постоянной подачу жидкости машиной в целом (см. также фиг. 5). До этого момента, начиная от нижней мертвой точки, при движении поршня 35 вся сжимаемая поршнем жидкость уходит через канал 45 в линию всасывания 41.
При дальнейшем повороте кривошипа 33 поршень 35 подходит к торцу золотника 44, нажимает на него и открывает золотник 44, сообщая полость цилиндра 36 с линией всасывания 39. Этот момент наступает после поворота кривошипа от «начала» угла α до «конца» этого угла. И далее поршень 35 вытесняет жидкость из цилиндра 36 в линию всасывания 39 через золотник 44 вплоть до момента его прихода в верхнюю мертвую точку.
При дальнейшем повороте кривошипа 33 поршень 35 движется из верней мертвой точки в нижнюю мертвую точку (влево по рисунку). При этом сначала, пока золотник 44 открыт, в цилиндр 36 жидкость поступает из линии всасывания 39 через канал 43. После закрытия золотника 44 всасывание жидкости продолжается через клапан 37, а после прохождения и открытия канала 45 - одновременно из линии всасывания 39 через этот канал и через клапан 37. Затем цикл работы продолжается.
Вместе с основным ротором 10 вращается и дополнительный ротор 11 в дополнительном цилиндре 3. Вращение ротору 11 передается через зубчатое зацепление 8-9 и вал 6. При этом газ всасывается от источника 31 через окно 28, сжимается в цилиндре 3 и подается через клапан 30 в линию нагнетания 50. В данном примере цилиндр 3 с ротором 11 выполняют функцию первой ступени компрессора, в которой газ, в том случае, если его источником 31 является атмосфера, сжимается до 3-4 бар (степень повышения давления - 3÷4). По линии нагнетания 50 сжатый газ поступает в теплообменник 51, выполняющий одновременно функции ресивера, в котором от газа отводится в окружающую среду теплота и гасятся его пульсации. После этого охлажденный газ поступает к пневматическому цилиндру 32, который работает в режиме обычного поршневого компрессора и выполняет функцию второй ступени. Газ всасывается в цилиндр 32 через клапан 48, дожимается в нем до давления потребителя 53 и подается этому потребителю. Степень повышения давления в цилиндре 32 может варьироваться от 3-х до 10-ти в зависимости от системы его охлаждения, которая на чертеже не показана. То есть конечное давление машины по газу в случае использования в качестве источника газа атмосферы может варьироваться в пределах 9÷40 бар.
Возможна и параллельная работа цилиндров 3 и 32. В этом случае степень повышения давления будет определяться возможностями цилиндра 3 и может составить величину до 4÷6, а производительность машины по газу определится суммарной производительностью этих цилиндров.
Предложенная конструкция машины позволяет существенно расширить область ее применения за счет обеспечения возможности сжимать как газ, так и жидкость одновременно, что необходимо, например, в крупном обрабатывающем оборудовании типа обрабатывающих центров, автоматизированных линий и пр., где силовые механизмы и механизмы перемещения приводятся в движение и жидкостью под давлением, и сжатым газом, а жидкость под давлением используется в смазке трущихся узлов. Причем газ может подаваться под повышенным давлением в связи с организацией двухступенчатого сжатия, что позволяет снизить массу питаемого машиной пневматического оборудования и повысить его удельную мощность.
По сравнению с известными конструкциями предложенное техническое решение обладает более высокой (ориентировочно на 30-40%) удельной мощностью (мощностью, отнесенной к массе машины), что позволяет снизить ее материалоемкость и приведенную стоимость сжатого газа и жидкости под давлением.
В связи с изложенным следует признать, что поставленная техническая задача полностью выполнена.