РОТОРНАЯ МАШИНА Российский патент 1996 года по МПК F25B1/04 F04C18/02 

Изобретение относится к холодильной технике, более конкретно к компрессионным холодильным установкам (машинам) и еще более узко к роторным компрессорам таких установок или к детандерам.

Известна роторная машина (роторный компрессор холодильной машины), содержащая корпус и размещенные в нем центральный ведущий ротор и два периферийных ведомых ротора, причем ведущий ротор выполнен в виде гиперболоида с винтовыми пазами, а периферийные роторы выполнены с впадинами, входящими в зацепление с винтовыми пазами (патент США N 3133695, кл. 418-87, 1965). Общими признаками этой машины и предлагаемой роторной машины являются корпус и размещенные в нем центральный ведущий и два периферийных ротора.

В описанной машине наличие пазов на роторах не позволяет достичь низких внутренних перетечек, а выполнение винтовых поверхностей достаточно сложно.

Известна также роторная машина (работающая в режиме компрессора и в режиме детандера одновременно), содержащая корпус и размещенные в нем центральный ведущий и два периферийных ведомых ротора при выполнении ведущего ротора с профилированными впадинами, а ведомых роторов с соответствующими профилированными пазами (авт. св. СССР N 718666, кл. F 25 B 1/04, 1965). Предусмотрено и распределение рабочей среды (впуск, выпуск). Общими признаками данной и предлагаемой машин являются корпус, размещенные в нем центральный ведущий ротор и два периферийных ведомых ротора, а также распределитель рабочей среды.

Роторы последней из описанных машин выполнены без зубчатых элементов, однако и она характеризуется значительной величиной перетечек между роторами вследствие большого количества профильных деталей (в особенности, с острым профилем), находящихся в соприкосновении в период нагнетания и сжатия (из-за этих недостатков в данной машине применены контактные уплотнения). Выполнение многопрофильных элементов особенно в местах перехода одного профиля в другой приводит к значительному усложнению технологии.

Данная машина выбрана за прототип, поскольку, характеризуясь одинаковым количеством общих с аналогом признаков, она не имеет роторов с зубчатыми элементами.

Задача изобретения создание роторной машины (компрессора или детандера холодильной установки), имеющей высокий КПД в результате значительного снижения внутренних перетечек, при этом машина должна характеризоваться высокой технологичностью изготовления, что позволит создавать малогабаритные роторные машины.

Технический результат, достигаемый изобретением, уменьшение внутренних перетечек между роторами и между роторами и внутренней поверхностью корпуса при отсутствии дополнительных уплотнительных элементов с одновременным повышением технологичности изготовления.

Данный технический результат достигается тем, что в роторной машине, содержащей корпус и размещенные в нем центральный ведущий ротор и два периферийных ведомых ротора, а также распределитель рабочей среды, центральный ведущий ротор выполнен в форме цилиндра, установленного на валу с эксцентриситетом, а каждый из периферийных роторов имеет в поперечном сечении форму криволинейной фигуры, симметричной относительно двух взаимно перпендикулярных осей, состоящей из четырех одинаковых выпуклых участков.

Данный технический результат достигается также тем, что, при наличии вышеизложенной совокупности признаков роторы установлены с возможностью вращения в одинаковом направлении при угловой скорости вращения центрального ротора, в два раза большей скорости вращения периферийных роторов, и каждый из четырех одинаковых выпуклых участков криволинейной фигуры описан системой уравнений в параметрическом виде x=cosa (1) y=sinb (2) при Φ 0-90^о, a L r; b L + r; где Φ параметр системы уравнений угол поворота периферийного ротора относительно горизонтальной оси, проходящей через центры вращения роторов;
L расстояние между осями (центрами вращения) центрального и периферийного роторов;
R радиус цилиндра центрального ротора;
r эксцентриситет цилиндра центрального ротора.

Указанный технический результат достигается и тем, что распределитель рабочей среды выполнен в виде золотника.

Тот же технический результат, но в случае, если роторная машина работает только в компрессорном режиме, достигается тем, что распределитель рабочей среды выполнен в виде системы самодействующих клапанов.

В дополнение к указанному техническому результату может быть достигнуто повышение степени сжатия компрессора в случае установки между роторной машиной и распределителем рабочей среды резонансной трубы, при этом повышается производительность системы, включающей роторную машину в сочетании с резонансной трубой.

Повышение производительности (в дополнение к достижению основного технического результата уменьшению внутренних перетечек) обеспечивается еще и тем, что между центральным цилиндрическим ротором и одним или двумя периферийными роторами установлен по меньшей мере один дополнительный ротор, выполненный аналогично центральному ротору.

На фиг. 1 изображена роторная машина, вид спереди (поперечный вертикальный разрез по центральному и периферийным роторам); на фиг. 2 та же роторная машина, вид сверху (продольный горизонтальный разрез А-А на фиг. 1 по центральному ротору при расположении геометрического центра центрального ротора на вертикальной оси центральной расточки корпуса машины); на фиг. 3 представлен компрессорный вариант роторной машины с распределителем рабочей среды в виде золотника, вид сбоку (продольный вертикальный разрез Б-Б на фиг. 1); на фиг. 4 компрессорный вариант роторной машины с золотником, поперечный разрез В-В на фиг. 3 (разрез по золотнику); на фиг. 5 детандерный вариант роторной машины, продольный вертикальный разрез (по центральному ротору); на фиг. 6 детандерный вариант роторной машины с золотником, вертикальный разрез Г-Г на фиг. 5 (разрез по золотнику); на фиг. 7 компрессорный вариант роторной машины с распределителем рабочей среды, выполненным в виде системы самодействующих клапанов, продольный вертикальный разрез (по центральному ротору); на фиг. 8 компрессорный вариант роторной машины в сочетании с резонансной трубой, установленной между роторной машиной и газораспределителем, выполненным в виде системы самодействующих клапанов (продольный вертикальный разрез по центральному ротору); на фиг. 9 компрессорный вариант роторной машины в сочетании с резонансной трубой, установленной между роторной машиной и распределителем рабочей среды, выполненным в виде золотника (продольный вертикальный разрез); на фиг. 10 вариант роторной машины с дополнительным цилиндрическим ротором (при расположении геометрических центров основного и дополнительного цилиндрических роторов на вертикальных осях соответствующих цилиндрических расточек корпуса машины), поперечный вертикальный разрез по роторам); на фиг. 11 механизм синхронизации направления и скорости вращения роторов роторной машины, поперечный разрез Д-Д на фиг. 2 (разрез по зубчатым колесам); на фиг. 12 показана индикаторная диаграмма роторной машины, работающей в компрессорном режиме; на фиг. 13 индикаторная диаграмма при работе в детандерном режиме.

Роторная машина содержит корпус 1 (фиг. 1, 2 и 3) и размещенные в нем центральный ведущий ротор 2 и два периферийных ведомых ротора 3 и 4, а также распределитель 5 рабочей среды. Центральный ротор 2 выполнен в форме цилиндра, установленного на валу 6 с эксцентриситетом r, а каждый из периферийных роторов 3 и 4 имеет в поперечном сечении форму криволинейной фигуры, симметричной относительно двух взаимно перпендикулярных осей и состоящей из четырех одинаковых выпуклых участков г-д-е (фиг. 1). Роторы 2, 3, 4 (фиг. 2) установлены на валах 6, 7, 8 соответственно с возможностью вращения в одинаковом направлении при угловой скорости вращения центрального ротора 2, в два раза большей скорости вращения периферийных роторов 3 и 4. Каждый из четырех одинаковых участков г-д-е упомянутой криволинейной фигуры описан системой из двух уравнений в параметрическом виде: x=cosa (1) y= sinb (2) при Φ 0-90^о; a L r; b L + r, где Φ параметр системы уравнений угол поворота периферийного ротора 3 или 4 относительно горизонтальной оси, проходящей через центры вращения роторов 2, 3, 4: при построении криволинейной фигуры по данной системе уравнений следует иметь в виду, что угол Φ отличен от угла α являющегося углом радиус-вектора о-д точки на криволинейной фигуре, имеющей координаты x, y (фиг. 1);
L расстояние между осями центрального 2 и периферийного 3 или 4 роторов;
R радиус цилиндра центрального ротора 2;
r эксцентриситет цилиндра центрального ротора 2 относительно горизонтальной оси вращения.

Указанные аналитические зависимости (1) и (2) получены в результате графического и математического исследований заданных в общем виде геометрии и кинематики роторного механизма с роторами 2, 3, 4, формирующими две рабочие полости 23, 24 в корпусе 1 роторной машины.

Корпус 1 внутри имеет конфигурацию трех пересекающихся по образующим полых цилиндров с разными диаметрами поперечных сечений, имеющих центры на общей горизонтальной оси, при взаимно параллельном расположении продольных осей.

Форма кривой профиля периферийных роторов 3, 4 предварительно была получена графически путем имитирования кинематики предлагаемого роторного механизма с помощью плоской модели роторов центрального 2 (окружность с эксцентриситетом) и периферийного 3 (окружность поперечное сечение заготовки). В результате получен контур профиля, визуально сходный с эллипсом.

В дальнейшем было проведено математическое исследование указанных исходных данных роторного механизма, которое позволило выявить отличие полученной в результате кривой упомянутого искомого профиля (ротора 3 или 4) от эллипсной кривой. Полученное аналитическое выражение (1), (2) подтвердило также корректность результата графического исследования, что подтверждено впоследствии расчетом на ЭВМ. Расчет на ЭВМ может быть представлен в случае необходимости.

Распределитель 5 рабочей среды роторной машины выполнен в виде золотника 9 (фиг. 2, 3 и 4). Такое выполнение реализуется как для компрессорного, так и для детандерного вариантов роторной машины. Распределитель 5 рабочей среды выполняется и в виде системы самодействующих клапанов, включающей клапаны 10 впуска и 11 выпуска (фиг. 7, 8). Указанная система клапанов применяется в компрессорной модификации роторной машины, а также в случае компоновки последней в сочетании с резонансной трубой 12 (фиг. 8). Комбинированная система резонансная труба компрессор (фиг. 9) может быть также оснащена распределителем рабочей среды, выполненным в виде золотника 9. Реализация упомянутой системы роторный компрессор резонансная труба (или иное резонансное устройство) позволяет повысить степень сжатия и производительность роторного компрессора.

Повышение производительности роторной машины достигается также в случае, если она оснащена (фиг. 10) дополнительным цилиндрическим ротором 13. При этом дополнительный цилиндрический ротор установлен между центральным ротором 2, аналогично которому он выполнен, и периферийным ротором 3 или 4. Ротор 13 устанавливается на валу 14 с эксцентриситетом подобно установке на валу 6 ротора 2. Причем помимо повышения производительности роторного компрессора в этом случае его выполнения обеспечивается уменьшение величины относительного мертвого объема, обусловленной геометрией механизма роторной машины. В соответствии с числом цилиндрических роторов в дополнение (их может быть и более двух) к центральному ротору 2 увеличивается и количество выемок в корпусе 1 (т.е. количество пересекающихся по образующим полых цилиндров, поверхности которых образуют внутреннюю камеру корпуса).

Роторы 2, 3, 4 установлены на валах 6, 7, 8 соответственно в подшипниках 15 (преимущественно качения) с возможностью вращения в одинаковом направлении при угловой скорости ω_в вращения центрального ротора 2, в два раза большей скорости вращения периферийных роторов 3, 4. Эта возможность обеспечивается с помощью механизма синхронизации направления и скорости вращения. Последний включает в себя установленные на валах 6, 7, 8 зубчатые колеса 16, 17, 18 соответственно (фиг. 11), а также находящиеся с ними в зацеплении промежуточные шестерни 19, 20, установленные на осях в корпусе 1. С помощью шестерен 18, 19 обеспечивается вращение роторов 2, 3, 4 в одинаковом направлении, а соотношение скоростей вращения ротора 2 ( ω ) и каждого из роторов 3, 4 ( ω /2) достигается за счет величины передаточного отношения зубчатой передачи, включающей колеса 16, 17, 18.

Роторная машина, выполненная в виде компрессора, имеет согласно изобретению три модификации: компрессор с золотниковым газораспределением (фиг. 1-4); компрессор с клапанным распределением рабочей среды (фиг. 7) и компрессор в сочетании с резонансной трубой, реализуемый как с применением клапанного распределения (фиг. 8), так и с золотником 9 (фиг. 9).

В первой из перечисленных модификаций золотник 9, жестко связанный и вращающийся вместе с центральным 2 ротором, снабжен профилированными сквозными каналами 21, 22 (фиг. 3 и 4) для сообщения рабочих полостей 23, 24 компрессора с патрубками 25 подвода и 26 отвода рабочей среды через каналы 27, 28 в неподвижной крышке 29 корпуса 1, которая жестко соединена с неподвижной частью золотника 9 (в примере согласно фиг. 3 неподвижная часть золотника 9 выполнена за одно целое с крышкой 29 корпуса 1 роторной машины).

Помимо охарактеризованных выше возможны еще две модификации роторной машины согласно изобретению: детандер (расширитель), который конструктивно в основном аналогичен компрессору, но может работать только при золотниковом газораспределении (фиг. 5 и 6), и насосный агрегат, работающий в двух режимах: на жидкости с повышением ее давления за счет потребления энергии от постороннего источника энергии, а также с понижением давления жидкости и отдачей работы на вал (гидромотор). При этом конструкция рабочего механизма аналогична компрессорной, а распределение рабочей среды золотниковое или с помощью самодействующих клапанов (в насосном режиме), а также с применением только золотника (при работе в качестве гидромотора).

Следует обратить внимание на характерные особенности выполнения таких модификаций, как компрессорной и детандерной (детандер на фиг. 5 и 6). Они обусловлены различием направлений подводимого и отводимого потоков рабочей среды, направлений вращения роторов (также фиг. 3 и 4), а также разницей температурных уровней работы для компрессора (нагрев рабочей среды до температуры 150-200^оС) и детандера (охлаждение среды до минус 200^оС). Последний фактор обусловливает необходимость выполнения в детандере тепловых мостов 31, 32, 33 в корпусе 1, а в компрессоре охлаждающей рубашки 30 (фиг. 3, а также фиг. 2, на которой объединены изображения компрессора и детандера).

Роторная машина работает следующим образом.

Рабочий процесс при работе в компрессорном режиме. При вращении центрального ротора 2 (фиг. 1) в направлении, указанном стрелкой М, рабочая полость 23 (фиг. 3 и 4, а также фиг. 12) меняется по объему от максимального значения V_max, соответствующего положению точки а' на индикаторной диаграмме, до промежуточного б'. При этом канал 21 в золотнике 9 отключается от канала в крышке 29 корпуса 1 и таким образом рабочая полость 23 отсекается от линий 25 всасывания и 26 нагнетания. В процессе a' б' происходит сжатие газа, поступившего в рабочую полость 23 с повышением его давления и температуры. Когда объем рабочей полости 23 достигает промежуточного значения б', а давление газа составляет величину Р_н, канал 22 в золотнике 9 совмещается с каналом 27 в крышке 29 корпуса 1 начинается процесс нагнетания б' в'. При минимальном значении рабочего объема канал 22 в золотнике 9 отключается от канала 27 и рабочей полости 23.

При дальнейшем увеличении объема рабочей полости 23 (процесс в' г') происходит процесс обратного расширения газа и падение его давления до значения Р_вс. В этот момент (точка г' на фиг. 12) начинается процесс всасывания г' а'. При этом какал 21 в золотнике 9 совмещается с каналом 27 в крышке 29 корпуса 1. Процесс всасывания продолжается вплоть до увеличения объема рабочей полости 23 до максимального значения V_max. Далее рабочий процесс компрессора циклически повторяется.

Приведенное описание рабочего процесса компрессора с золотниковым газораспределением совпадает (по характеру индикаторной диаграммы) и действительно и для варианта компрессора с клапанным распределением, т.е. при наличии самодействующих клапанов 10 впуска и 11 выпуска (фиг. 7, а также фиг. 12), поэтому повторно не дается. Что же касается работы клапанов 10 впуска и 11 выпуска, то она в ходе рабочего процесса осуществляется автоматически за счет перепада давлений рабочей среды.

Рабочий процесс при работе в детандерном режиме (фиг. 5, 6, а также фиг. 13). При вращении центрального ротора 2 в направлении, указанном стрелкой Н, объем рабочей полости 23 меняется от максимального значения ж' до промежуточного и'. При этом канал 21 в золотнике 9 подключается к каналу 27 в крышке 29 корпуса 1. Таким образом рабочая полость 23 сообщается с линией выпуска происходит процесс выталкивания ж' и' холодного расширившегося газа в патрубок 25 выпуска. Когда объем полости 23 достигает значения, соответствующего точке и', он отсекается от линии выпуска происходит процесс обратного сжатия и' д'. При этом линия 26 впуска тоже отсечена от рабочей полости 23. При минимальном значении объема V_min этой полости (соответствующем точке д' диаграммы) канал 27 в крышке корпуса 1 соединяется с каналом 22 в золотнике 9 начинается впуск сжатого газа через патрубок 26 впуска. Этот процесс осуществляется до момента достижения рабочим телом (средой) объема, значение которого соответствует положению точки e' на диаграмме. Затем при отсеченных линиях впуска 26 и выпуска 25 в рабочей полости осуществляется процесс расширения e' ж', и система приходит в исходное состояние (точка ж'). Далее процесс детандера циклически повторяется.

Рабочий процесс в системе, включающей роторную машину в сочетании с резонансной трубой 12. Резонансная труба (фиг. 8, 9), являющаяся колебательной системой, имеет собственную частоту колебаний столба газа, заключенного в ней. Эта частота зависит от длины трубы и величины объемов и геометрии подключенных к ней камер, расположенных по обоим концам трубы симметрично относительно ее центральной суженной части. При совпадении собственной частоты колебаний столба газа с частотой пульсаций давления рабочего газа в полостях компрессора, вызываемых изменением объема этих полостей, наступает резонансное состояние, при котором колебания давления газа в резонансной трубе 12, особенно в ее указанных выше камерах, достигает значительных величин. При подключении к наиболее отдаленной от компрессора камере (трубы 12) распределителя 5 рабочей среды (выполненного либо в виде системы самодействующих клапанов 10 впуска, 11 выпуска фиг. 8, либо в виде золотника 9 фиг. 9) осуществляется подвод газа низкого давления в систему и отвод из нее газа высокого давления. Таким образом, реализуется процесс сжатия газа со степенью сжатия газа большей, чем в отдельно, не зависимо от резонансной трубы используемом компрессоре. Производительность описанной выше системы также возрастает.

Рабочий процесс при работе в режиме насоса и гидромотора. Для характеристики процессов, происходящих в роторной машине, работающей в указанных режимах, достаточно отметить, что в отличие от компрессора и детандера в качестве рабочего тела в насосе, гидромоторе используется несжимаемая жидкость. Несжимаемостью рабочей среды и обусловлено различие протекания рабочего процесса при работе в рассматриваемых здесь режимах. Благодаря этой особенности процесс повышения давления или процесс понижения давления (фиг. 12 и 13) отображены на индикаторной диаграмме в виде вертикальных прямых a' a'' (рост давления) и в' г'' (снижение давления) при работе в насосном режиме. В режиме гидромотора процессы отражены линиями e'' ж' (снижение давления) и и'' д' (увеличение давления). Что касается фаз протекания процессов впуска и выпуска, то они для насоса и гидромотора составляют угол 180^о в сравнении с углами, которые для компрессора и детандера существенно меньше, чем 180^о.

Рассматривая изобретение с точки зрения возможности его осуществления необходимо отметить следующее.

Обеспечение эффективной работы роторной машины в предлагаемой совокупности признаков решающим образом зависит от точности изготовления как цилиндрического 2, так и периферийных 3, 4 роторов. Иными словами при изготовлении должно быть выполнено требование минимального отклонения действительного профиля от теоретического (расчетного). Это условие может быть выполнено двумя путями: изготовлением на станках с программным управлением, при котором задаваемая программа создается на базе системы из двух уравнений (1), (2), описывающих двухмерную кривую профиля периферийного 3 или 4 ротора, причем на современных станках с программным управлением можно реализовать отклонение действительной кривой от теоретической порядка 0,02 мм, и изготовлением двухмерной кривой обкаткой (с применением цилиндрической фрезы) с последующей шлифовкой.

Кроме того, в предлагаемой роторной машине сравнительно мало отношение длины периметра возможной перетечки к величине объема рабочей полости, что выявляется при сравнении данной машины с известными роторными (например винтовыми) машинами. Величина относительной перетечки в предлагаемой машине может составить менее 5%
Вышеизложенные соображения позволяют сделать вывод о возможности обеспечения повышенной эффективности роторной машины, характеризующейся предлагаемой совокупностью признаков.

Использование: в холодильных установках, насосных агрегатах. Сущность изобретения: из трех роторов 2, 3, 4, формирующих в корпусе 1 машины рабочие полости, центральный ведущий ротор 2 имеет форму установленного на валу 6 с эксцентрисситетом цилиндра, а два периферийные роторы 3,4 выполнены с поперечным сечением в форме симметричной относительно главных осей криволинейно фигуры. Каждый из четырех одинаковых выпуклых участков этой фигуры описан системой из двух уравнений в параметрическом виде. Предусмотрена система синхронизации для обеспечения вращения роторов 2, 3, 4 в одинаковом направлении и при угловой скорости вращения ротора 2, в два раза большей, чем роторов 3,4. Совокупность этих признаков в сочетании с вариантами выполнения распределителя 5 рабочей среды (в виде золотника 9 или системы самодействующих клапанов) позволяет реализовать роторную машину в четырех модификациях помимо компрессорной: как систему, включающую компрессор в сочетании с резонансной трубой, детандер, насос, гидромотор. 5 з. п. ф-лы. 13 ил.

1. РОТОРНАЯ МАШИНА, содержащая корпус и размещенные в нем основной центральный ведущий ротор и два периферийных ведомых ротора, а также устройство распределения рабочей среды, отличающаяся тем, что ведущий ротор выполнен в форме цилиндра, установленного на валу с эксцентриситетом, а каждый из ведомых роторов имеет в поперечном сечении форму криволинейной фигуры, симметричной относительно двух взаимно перпендикулярных осей и состоящей из четырех одинаковых выпуклых участков. 2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что роторы установлены с возможностью перемещения в одинаковом направлении при угловой скорости вращения ведущего ротора, в два раза большей скорости вращения ведомых роторов, и каждый из четырех одинаковых выпуклых участков криволинейной фигуры описан системой из двух уравнений в параметрическом виде

при Φ = 0 - 90^o, a = L - r, b = L + r,
где v - угол поворота ведомого ротора относительно горизонтальной оси, проходящей через центры вращения роторов;
L - расстояние между осями (центрами вращения) ведущего и ведомого роторов;
R - радиус цилиндра ведущего ротора;
r - эксцентриситет ведущего ротора. 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что распределитель рабочей среды выполнен в виде золотника. 4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что распределитель рабочей среды выполнен в виде системы самодействующих клапанов. 5. Машина по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена резонансной трубой, установленной между корпусом машины и распределителем рабочей среды. 6. Машина по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена по меньшей мере одним дополнительным ведущим ротором, выполненным в форме цилиндра и размещенным между основным ведущим ротором и по меньшей мере одним ведомым ротором.