РОТОРНАЯ МАШИНА Российский патент 1994 года по МПК F02B53/00 F01C19/00 

Изобретение относится к машинам объемного расширения и сжатия, в частности, к роторым двигателям внутреннего сгорания, роторным расширительным машинам (объемным турбинам), и роторным компрессорам, имеющим рабочие камеры с бесконтактными уплотнениями.

Известен роторный компрессор, содержащий корпус с внутренней полостью, в котором на эксцентриковом валу установлен трехгранный ротор, выступы которого сопряжены с корпусом с минимальными зазорами, образующими бесконтактные уплотнения. Внутренняя поверхность корпуса в компрессоре имеет лабиринтную структуру из ряда продольных канавок, предназначенную для повышения гидравлического сопротивления зазоров в бесконтактных уплотнениях, снижения таким путем утечек в бесконтактных уплотнениях и повышения объемного КПД. Однако достичь поставленной цели в известном устройстве нельзя, поскольку лабиринтная структура выполнена на спутной поверхности, т. е. на такой поверхности, которая в процессе работы компрессора перемещается относительно щелей в бесконтактных уплотнениях из уплотняемой камеры в направлении струй утечек. Поскольку движение утечек и лабиринтных поверхностей спутно, т. е. совпадает по направлению, лабиринтная структура, ячейки которой имеют значительный объем и заполнены сжатым воздухом с избыточным давлением, движется относительно уплотнений из камеры с повышенным давлением в камеру с низким давлением и, подобно транспортеру, переносит рабочее тело с высокими параметрами (давлением и плотностью) обратно в камеру всасывания. Этот перенос ухудшает экономичность компрессора.

Известен роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с рабочей полостью, образованной двумя пересекающимися цилиндрическими поверхностями, ведущий ротор и ведомый ротор с расположенной в нем камерой сгорания (а. с. N 1325174, кл. F 02 B 53/00). Поверхности рабочей полости в этом двигателе выполнены относительно гладкими, без лабиринтных элементов, а бесконтактные уплотнения имеют вид эквидистантных щелей большого удлинения, обладающих значительным гидравлическим сопротивлением. Такое исполнение позволяет повысить объемный к. п. д. в камере сжатия двигателя, где преобладают спутные поверхности; этот полезный эффект обеспечен отсутствием переноса рабочего тела лабиринтной структурой. Бесконтактные уплотнения в виде эквидистантных щелей обладают удовлетворительной эффективностью и в процессе расширения, поскольку обеспечивают снижение потерь от утечек до 8% , но указанная величина достаточно существенна, чтобы предпринять поиск новых решений для ее дальнейшего снижения.

Цель изобретения - повышение эффективности КПД роторной машины путем снижения утечек рабочего тела в бесконтактных уплотнениях.

Эта цель достигается благодаря особому дифференцированному исполнению бесконтактных уплотнений, которое заключается в выполнении спутных поверхностей относительно гладкими, а противоточных поверхностей - с лабиринтной структурой.

В результате анализа газодинамических процессов в лабиринтных уплотнениях с указанными особенностями исполнения был обнаружен эффект реверсирования утечек обратно в камеру с высоким давлением. Использование эффекта реверсирования позволяет создать бесконтактные уплотнения, обладающие уникальным свойством - полным устранением утечек.

На фиг. 1 изображена роторная машина (двигатель), поперечный разрез; на фиг. 2 - узел I на фиг. 1; на фиг. 3 - узел II на фиг. 1; на фиг. 4 - вид по стрелке А на фиг. 3.

Роторная машина содержит корпус 1 с двумя торцовыми крышками 2, в которых на подшипниках установлены ведущий ротор 3 и ведомый ротор 4, связанные между собой синхронизирующей передачей из трех шестерен, обеспечивающей вращение роторов в одном направлении с равной угловой скоростью (синхронизирующая передача не показана). В обеих торцовых крышках 2 выполнены впускные окна 5, сообщающиеся с впускными патрубками, в цилиндрической стенке корпуса имеется выпускное окно 6, соединенное с выпускным патрубком 7. Ведущий ротор имеет выступ 8 с цилиндрической площадкой 9 на вершине, сопряженной с минимальным зазором с внутренней цилиндрической расточкой корпуса. Выступ имеет переднюю 10 и заднюю (относительно направления вращения ротора) 11 стороны, сопряженные между собой соосной ротору цилиндрической поверхностью 12. Ведомый ротор выполнен с внешней цилиндрической поверхностью 13 и серповидной впадиной 14, взаимодействующей с площадкой 9 ведущего ротора; внутри ведомого ротора выполнена камера сгорания 15 и установлена топливная форсунка 16. Впускные и выпускные окна камеры сгорания разнесены по длине ротора, причем в фазе, соответствующей фиг. 1, впускные окна 36 сообщены с двумя перепускными каналами 37, выполненными в корпусе. По линиям пересечения серповидной камеры с внешней цилиндрической поверхностью расположены передняя уплотнительная кромка 17, взаимодействующая с задней стороной 11 выступа ведущего ротора, и задняя уплотнительная кромка 18, сопряженная при работе машины с передней стороной 10 выступа ведущего ротора. Все сопряженные поверхности роторов образованы дугами окружностей, уплотнительные кромки 17 и 18 тоже выполнены с небольшим радиусом (r ≈ 1-3 мм). Взаимное расположение корпуса и роторов создает камеру сжатия 19 и камеру расширения 20, ограниченную линиями сопряжения рабочих органов в точке 21 на выступе ведущего ротора, в точке 22 на линии пересечения двух расточек корпуса и в точке 23 между ведущим и ведомым роторами. Корпус, торцовые крышки и роторы выполнены из жаропрочных материалов. На поверхности расточек корпуса и торцовых крышек, ограничивающих камеры расширения и сжатия, нанесены мягкие износные покрытия, например, на основе графита и металлокерамики, применяемые для аналогичных целей в газовых турбинах. На заднюю сторону 11 выступа ведущего ротора, на сопряженную с ней часть цилиндрической поверхности 12 и на примыкающую к передней уплотнительной кромки часть поверхности 13 нанесено термобарьерное покрытие, например двух- или трехслойное, наружный слой которого выполнен из окиси циркония ZrO₂, стабилизированной 12% Y₂O₃ + 3% MgO, ThO₂, CaO, или эмаль типа ЭВ-55А. на подвижных относительно камеры расширения 20 поверхностях, перемещающихся в процессе работы из полости низкого давления в полость высокого давления (в камеру 20), т. е. на ограничивающих камеру расширения цилиндрических и торцовых поверхностях корпуса, на задней поверхности 11 выступа ведущего ротора 8, на части 24 цилиндрической поверхности 12, примыкающей к поверхности 11, и на части 25 внешней цилиндрической поверхности 13 ведомого ротора выполнена ячеистая структура с ячейками 26, имеющих глубину h₁, и ячейками 27 с глубиной h₂, образующая лабиринтные уплотнения. Ячейки лабиринтных уплотнений могут быть выполнены различными технологическими приемами, применяемыми, в частности, для изготовления охлаждающих отверстий в лопатках газовых турбин, например, электроискровым способом, фотоотравлением, лучом импульсного лазера или электронным пучком. Утечки рабочего тела в этих лабиринтных уплотнениях и геометрические параметры уплотнения должны удовлетворять определенным соотношениям:
Q_m ≅n_я˙m_я; Q_m≅V_я˙ρ˙n_я;
Q_m ≅S_я˙h₁˙ρ˙ K_v, где Q_m - массовый расход рабочего тела через лабиринтные уплотнения за единицу времени;
n_я - число ячеек, переместившихся в камеру расширения за то же время;
m_я - масса рабочего тела в одной ячейке;
V_я - объем одной ячейки;
ρ - плотность рабочего тела в ячейках, поступающих в камеру;
S_я - площадь лабиринтной поверхности, поступающей в камеру за единицу времени;
h₁ - высота ячеек;
К_v - коэффициент пористости ячеистой структуры, являющийся отношением суммарного объема ячеек (пор) на поверхности к объему поверхностного слоя глубиной h₁.

В точке 23 между роторами сопряжены две поверхности, из которых поверхность 24 ведущего ротора в процессе расширения рабочего тела перемещается в камеру расширения, а поверхность 25 перемещается из камеры. Этому варианту соответствует соотношение:
Q_m + S_я ˙h₁˙ρ≅S_я1˙h₂˙ρ˙K_v , где S_я, h₁, ρ, К_v - параметры поверхности 25, а S_я1, h₂, К_v1 - параметры поверхности 24.

Это соотношение обеспечивается большей удельной емкостью (объемом на единицу площади) полостей лабиринта поверхности 24, что достигается увеличением глубины (h₂) или коэффициента пористости К. Знак < обусловлен дополнительным переносом рабочего тела из смежной камеры с низким давлением.

Изображенные на чертежах размеры лабиринтных ячеек увеличены; их глубина h₁, удовлетворяющая приведенным выше зависимостям, варьируется в пределах 0,1-0,6 мм.

Кроме указанных мест, лабиринтные уплотнения выполняются также на торцовых поверхностях крышек 2 и на площадке 9 ведущего ротора, а также, по меньшей мере, на части 28 цилиндрической поверхности корпуса; другая часть этой поверхности, примыкающая к точке 22, может быть выполнена или с гладкими износными покрытиями, или с лабиринтной структурой.

Задняя поверхность 11 выступа ведущего ротора тоже может иметь участки с гладкой поверхностью (без лабиринтной структуры). Например, участок этой поверхности напротив выпускного окна камеры сгорания для снижения теплонапряженности и газовой эрозии целесообразно выполнить гладким. Кроме круглой в плане (фиг. 3) формы ячеек, возможны шестигранная, квадратная и треугольная, обладающие более высоким гидравлическим сопротивлением. Часть лабиринтных уплотнений, например, расположенных на поверхностях 9, 11, 24, может быть выполнена с растровой (линейной) структурой в виде параллельных микроканавок. Радиусная поверхность уплотнительного выступа 18 тоже исполняется с лабиринтными уплотнениями с шагом между ними примерно 0,2. . . 0,3 мм, благодаря этому на пути утечек располагаются 4. . . 5 последовательно расположенных гребешков, снижающих утечки в ≈2 раза. При шлифовке цилиндрических поверхностей последний проход шлифовального круга осуществляется с направлением движения круга вдоль образующей, благодаря чему воспроизводится микрорельеф, создающий дополнительное сопротивление утечки. На плоских торцевых поверхностях роторов и корпуса дополнительное сопротивление утечкам можно обеспечить пескоструйной обработкой.

Действует двигатель подобно прототипу. При синхронном вращении роторов в одном направлении (на чертежах - против часовой стрелки) в камере 19 после ее продувки воздухом через впускные окна 5 осуществляется сжатие и вытеснение заряда в полость камеры сгорания 15, где через форсунку 16 осуществляется впрыск топлива, воспламенение и сгорание смеси, затем камера сгорания открывается в камеру расширения 20. По окончании процесса расширения продукты сгорания выпускаются в патрубок 7.

В начальной стадии процесса расширения ряд поверхностей с лабиринтной структурой перемещаются относительно крайних точек 21, 22 и сопряжения II камеры расширения в направлении извне внутрь камеры, т. е. из полостей с относительно низким давлением в полости с высоким давлением рабочего тела. Конкретно, поверхность 29 перемещается в камеру расширения относительно кромки 21 ведущего ротора. Торцовые поверхности движутся в камеру относительно задней поверхности 11 ведущего ротора, лабиринтная поверхность 24 перемещается в камеру относительно сопряжения II между роторами, а поверхность 25 поступает (в начальной фазе расширения) в камеру относительно кромки 22 корпуса. Утечки продуктов сгорания в указанных бесконтактных сопряжениях сопровождаются чрезвычайно полезным явлением - реверсированием утечек, т. е. их переносом обратно в камеру расширения. Достаточно наглядно реверс-эффект иллюстрируется на фиг. 2, где кривой 30 изображено падение давления в ячейках лабиринта в направлении потока газа на длине l, кривая 31 представляет эпюру скоростей потока утечек рабочего тела, а кривая 32 является эпюрой скоростей возвратного потока газа. Продукты сгорания находятся в камере расширения 20 под избыточным давлением, через зазор h в бесконтактном уплотнении перетекают в смежную камеру с меньшим давлением, при этом происходит многократное дросселирование газа и дискретное (ступенчатое падение давления последовательно на пути струи газа. Поскольку поверхность с ячейками 26 при этом перемещается внутрь камеры, элементарные объемы ячеек последовательно наполняются продуктами сгорания с возрастающим давлением и переносятся обратно в камеру расширения (кривая 32). Если соблюдены приведенные выше соотношения, определяющие равенство расхода утечек и бесконтактных уплотнений и их возврата обратно в камеру расширения, бесконтактное уплотнение становится практически безрасходным. Расход рабочего тела с утечками мало зависит от числа оборотов, реверс утечек, напротив, находится в прямой зависимости от частоты вращения, поэтому условия безрасходности лабиринтного уплотнения должны быть обеспечены при минимальных рабочих скоростях вращения. С увеличением частоты вращения уплотнение саморегулируется: увеличение реверса утечек компенсируется увеличением расхода путем автоматического сокращения активной длины l уплотнения и числа последовательно расположенных вдоль потока газа ячеек.

Более сложная ситуация изображена на фиг. 3, где ячейки лабиринтной спутной поверхности 25 перемещаются из камеры и создают дополнительный расход рабочего тела. Исполнение лабиринтной структуры на поверхности 25 целесообразно, поскольку в начальной стадии процесса расширения эта поверхность перемещается относительно кромки 22 внутрь камеры, т. е. является противоточной и обеспечивает реверс утечек продуктов сгорания с высокими параметрами. Для устранения утечек за завершающей стадии процесса расширения сопряжения с поверхностью 25 лабиринтная структура 24 имеет ячейки 27 с увеличенным объемом благодаря большей глубины (h₂ ≈ 2h₁). Вследствие большей емкости возврат утечек (вектор 33) поверхностью 24 компенсирует их расход через зазор (вектор 34) и унос ячейками поверхности 25 (вектор 35), т. е. поверхность 25 в этой фазе по сравнению с поверхностью 24 становится относительно гладкой.

Таким образом, действие безрасходных лабиринтных уплотнений сопровождается появлением в них сплющенного вихря с интенсивной циркуляцией. Устранение утечек не означает исключения энергетических потерь вообще, т. к. дросселирование (мятие) рабочего тела всегда сопровождается ростом энтропии. Однако потери на дросселирование примерно в 12 раз меньше потерь, обусловленных утечками в обычных лабиринтных уплотнениях. Это обстоятельство обусловливает высокую технико-экономическую эффективность предложенного технического решения.

Лабиринтные уплотнения на поверхности 9,28, на торцах ведущего ротора тоже способствуют снижению утечек и повышению к. п. д. двигателя, но они применены по прямому назначению, т. е. не обладают новым свойством реверсирования утечек и предметом притязания настоящего патента не является. Поверхности 10 и 12 ведущего ротора, поверхности корпуса, ограничивающие камеру сжатия, часть внешней цилиндрической поверхности ведомого ротора, примыкающая к уплотнительной кромке 18, выполнены гладкими, поскольку исполнение их с лабиринтной структурой не снижает, а напротив, увеличивает утечки, т. к. эти поверхности в процессе сжатия перемещаются относительно камеры сжатия в направлении утечек и увеличивают их расход.

Область применения предложения не ограничивается роторной машиной (фиг. 1), оно может быть эффективно использовано в машинах объемного сжатия других конструктивных схем.

Сущность изобретения: роторная машина, преимущественно двигатель внутреннего сгорания, содержит полый корпус с установленными в его полости ведомыми и ведущими роторами, камерами сжатия и расширения, ограниченными цилиндрическими поверхностями полости корпуса, ведомого и ведущего роторов, и лабиринтными уплотнителями рабочих камер. Поверхность полости корпуса и часть ведущего ротора, ограничивающие камеру сжатия, а также задняя по ходу вращения часть внешней цилиндрической поверхности ведомого ротора выполнены гладкими, а поверхности полости корпуса и часть ведущего ротора, ограничивающие камеру расширения, а также передняя по ходу вращения часть внешней цилиндрической поверхности ведомого ротора имеют структуру из элементов лабиринтных уплотнений. 4 ил.

РОТОРНАЯ МАШИНА, преимущественно двигатель внутреннего сгорания, содержащая полый корпус с ведомым и ведущим роторами, камерами сжатия и расширения, ограниченными цилиндрическими поверхностями полости корпуса, ведомого и ведущего роторов, и лабиринтные уплотнения рабочих камер, отличающаяся тем, что, с целью повышения экономичности путем повышения эффективности уплотнений, поверхности полости корпуса и часть ведущего ротора камеры сжатия, а также задняя по ходу вращения часть внешней цилиндрической поверхности ведомого ротора выполнены гладкими, а поверхности полости корпуса и часть ведущего ротора камеры расширения, а также передняя по ходу вращения часть внешней цилиндрической поверхности ведомого ротора имеют структуру из элементов лабиринтных уплотнений.