РОТОРНЫЙ НАГНЕТАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК F04C2/00 F04C2/63 F04C2/20 

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к роторным машинам и может быть использовано, преимущественно, в компрессоростроении.

Известны роторные машины регулируемой производительности, у которых имеются два ротора, установленных в корпусе соосно с образованием между лопатками рабочих камер, выходной вал, передачи с циклически изменяющимися передаточными отношениями, соединяющие роторы с валом и устройства для регулирования путем перепуска или дросселирования /ДЕ, N 4012815, F 01 C 1/063, 1991/. Эти машины имеют сложную конструкцию и низкий КПД.

Известна роторная машина регулируемой производительности, имеющая корпус, в котором выполнен нагнетательный канал, первый и второй роторы, снабженные закрепленными лопатками, установленные соосно и взаимодействующие лопатками с корпусом с образованием рабочих камер переменного объема, входной вал, зубчатые передачи, выполненные с некруглыми колесами и соединяющие входной вал с роторами и регулятор производительности, который выполнен в виде фазосмесителя, установленного в приводе одного из роторов и содержит зубчатую соединительную муфту с промежуточным звеном, подвижным в осевом направлении, снабженным двумя зубчатыми венцами, один из которых винтовой, и кинематически связанным с винтовым механизмом, имеющим ручной привод /SU N 1631199, F 04 C 2/00, 1991/.

Однако применение в приводе двух пар зубчатых колес, зубчатой муфты, имеющей четыре зубчатых венца и винтовой пары, задающей ротору угловое смещение, усложняет конструкцию нагнетателя, увеличивает его габариты и массу и снижает КПД из-за больших механических потерь в приводе. Дополнительные энергетические потери и снижение КПД возникают при несоответствии устанавливаемой вручную производительности действительному расходу при его частых изменениях по условиям потребителя воздуха.

Техническая задача изобретения упрощение конструкции и повышение КПД роторной машины применительно к нагнетателю.

Технический результат достигается тем, что второй ротор снабжен дополнительной инерционной массой в виде закрепленного динамически уравновешенного груза, установлен свободно относительно входного вала и взаимодействует с первым ротором с образованием между смежными лопатками демпфера переменного сопротивления циклического действия, рабочая полость которого включает в себя вредное пространство и часть проточного объема рабочей камеры, а регулятор производительности выполнен автоматическим в виде нагнетательного клапана с подпружиненным рабочим органом, установленным в нагнетательном канале корпуса.

Дополнительная инерционная масса сосредоточена в лопатках ротора, выполненных с увеличением размеров по окружности относительно одноименных размеров лопаток первого ротора.

На фиг. 1 изображен продольный разрез роторного нагнетателя регулируемой производительности; на фиг. 2 сечение А А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б Б на фиг. 1; на фиг. 4 сечение В В на фиг. 1; на фиг. 4 схема индикаторной диаграммы компрессора.

Нагнетатель /компрессор/ переменной регулируемой производительности имеет /фиг. 1/ корпус 1, в котором выполнены впускные каналы, соединенные с воздухоочистителем /не показаны/, и нагнетательные каналы 2, соединенные через коллектор 3 с ресивером /не показан/. В канале 2 установлен регулятор производительности, выполненный в виде нагнетательного клапана с пластинчатым рабочим органом 4, снабженным пружиной 5.

В корпусе установлены соосно роторы 6 /первый/ и 7 /второй/, которые снабжены закрепленными лопатками 8, 9 и 10, 11, взаимодействующими с корпусом и с образованием рабочих камер 12 15 переменного объема.

Входной вал 16 кинематически связан с первым ротором 6 с помощью зубчатой передачи, выполненной с некруглыми колесами 17, 18 /фиг. 2/, входящими в зацепление между собой. Второй ротор 7 установлен свободно относительно входного вала /фиг. 3/, имеет дополнительную инерционную массу в виде утолщенных лопаток 10, 11, выполненных с увеличением размеров по окружности относительно одноименных размеров лопаток первого ротора. Дополнительная масса уравновешена динамически относительно оси ротора. В общем случае, дополнительная инерционная масса может быть выполнена в виде диска или обруча, размещенного вне рабочей полости корпуса и жестко связанного с ротором. Однако этот вариант менее целесообразен из-за увеличения габаритов компрессора, не показан.

В каждой из рабочих камер 12 15 второй ротор взаимодействует с лопатками первого ротора с образованием между ними демпфера переменного сопротивления циклического действия, рабочая полость 19 которого включает в себя вредное пространство и часть проточного объема рабочей камеры, у которых нет четких постоянных границ по принципу действия. В варианте /фиг. 4/, не обязательном для применения, но более надежном в работе, вредное пространство включает в себя запираемый объем 20 в виде углубления в одной из лопаток, а смежная лопатка другого ротора имеет запирающий выступ 21, ориентированный относительно запираемого объема 20 и входящий в него с малым зазором при сближении лопаток.

Роторный нагнетатель работает следующим образом.

Равномерное вращение входного вала 16 при передаче через некруглые зубчатые колеса 17, 18 преобразуется в неравномерное циклически изменяющееся вращение первого ротора 6. Свободно установленный второй ротор 7 вращается в спутном ротору 6 направлении неравномерно с циклически изменяющейся скоростью за счет энергии, передаваемой от первого ротора в период его ускорения через рабочее тело, сжимаемое в рабочих полостях 19 демпферов, и при замедлении первого ротора, за счет энергии, аккумулированной вторым ротором на предыдущем этапе разгона. Поскольку второй ротор имеет увеличенную инерционную массу и большой момент инерции, фазы колебаний скорости второго ротора не совпадают с таковыми для первого ротора, а фазовый сдвиг зависит от момента инерции /массы/ второго ротора и его ускорений, определяемых некруглостью зубчатых колес 17, 18, и от давления в рабочей полости 19 демпфера в период демпфирования, зависящего от перепуска рабочего тела из полости. По средней скорости и частоте ее колебаний вращения роторов одинаковы.

Несовпадение фаз роторов вызывает циклические изменения объемов рабочих камер 12 16 и совершение в них, как у прототипа, процессов /см. фиг. 5/ впуска /в-н/, сжатия /н-а-с/, нагнетания /с-б/, расширения /б-в/, составляющих рабочий цикл. Причем, в диаметрально противоположных рабочих камерах циклы одновременны, а в смежных со сдвигом на 180^o. При этом используется энергия, которую сначала аккумулирует /в период разгона/, а затем отдает /в период замедления/ второй ротор. Отдаваемая энергия расходуется на участках а-сб-индикаторной диаграммы и частично на участке в-н. Поэтому, чем больше масса лопаток 10, 11 ротора, тем больше возможные давление нагнетания и производительность компрессора.

Нагнетание происходит в период, когда нагнетательный канал 8 лопаткой 8 или 9 открыт в рабочую камеру, а рабочий орган 4 нагнетательного клапана сжал пружину 5 и приподнят. При заданной конструкции нагнетателя энергия, аккумулируемая ротором, практически постоянна, а энергия нагнетания зависит от противодавления в коллекторе 3, прижимающего рабочий орган 4. Чем выше противодавление, тем позже начинается и раньше заканчивается процесс по ходу уменьшения объема. При увеличении противодавления от Р₁ до P₂ /фиг. 5/ участок нагнетания с-б смещается в положение с₁-б₁, чему соответствует увеличенный объем V_вр1 вредного пространства. Аналогичное изменение вредного пространства происходит в смежной рабочей камере и отражается на рассматриваемом рабочем цикле смещением точки Н в положение н₁. Последнее влияет на процесс впуска так, что сжатие происходит по линии н₁ c₁, площадь диаграммы f на сбвн > f н₁a₁c₁б₁в₁н₁ по условию энергетического баланса при Р₂ /рост тепловых, газовых и механ. потерь/, уменьшение рабочего объема камеры и увеличение давления нагнетания снизили подачу за цикл. Этот эффект достигается автоматически совместными действиями нагнетательного клапана, увеличившего давление нагнетания и второго ротора, уменьшившего рабочий ход в соответствии с условием энергетического баланса.

При давлении Р_з, соответствующем точке с₂, подача нулевая. Для сравнения заметим, что у прототипа нулевая подача будет при давлении, соответствующем точке с_o, поскольку у него неизменный объем вредного пространства V_вр, а расход энергии за цикл не ограничен при запасе мощности привода. Как видно, заявленный нагнетатель обеспечивает относительную стабилизацию давления за счет изменения объема вредного пространства, т.е. известным методом /3/, а достигается это при небольших энергетических изменениях. У прототипа подобный эффект возможен при непрерывном отслеживании вручную баланса расход-производительность, что практически невозможно при частых изменениях в работе потребителя. Когда же прототип выходит на режим максимального давления /точка с_o/, то затраты энергии на цикл значительно больше, чем у заявленного нагнетателя, и возникает потребность в дополнительном регуляторе, обеспечивающем защиту по условиям прочности. Поэтому эксплуатационная экономичность заявленного нагнетателя по сравнению с нерегулируемым будет значительно выше, чем прототипа, а конструкция проще.

Непременным условием надежной работы нагнетателя является надежная работа демпфера в качестве амортизатора на участке сближения смежных лопаток роторов. При хорошем согласовании размеров, инерционной массы, скорости входного вала и диапазона изменения передаточного отношения зубчатой передачи обеспечивается безударная совместная работа роторов. Дополнительная гарантия безударности работы достигается, благодаря переменному сопротивлению демпфера, которое изменяется в связи с переменным давлением нагнетания, зависящим от противодавления в коллекторе, и резким возрастанием сопротивления при отсечении полости 19 от нагнетательного канала 2 и образовании запертого объема между лопатками. Вероятным условием малого давления в этом объеме и соударения лопаток является большой износ торцевых поверхностей лопаток, снижающий компрессию. Однако, эксплуатация такого нагнетателя неэффективна и не допускается, что предотвращает опасность соударений.

В варианте, представленном на фиг. 4, в лопатке первого ротора имеется запираемый объем 20, выполненный в виде углубления, а на лопатке второго ротора имеется запирающий выступ 21, который ориентирован относительно объема 20 и входит в него с малым зазором по периметру при сближении лопаток. Размещение элементов на роторах можно поменять, но увеличение массы ротора 7 за счет запирающих выступов 21 целесообразно для увеличения момента инерции.

Работает нагнетатель по рассмотренной схеме, а при чрезмерном сближении лопаток роторов запирающий выступ 21 входит в запираемый объем 20 с образованием дополнительной подушки и удар лопаток предотвращается, даже в сильно изношенном компрессоре.

Заявленный нагнетатель применим для работы при переменной частоте вращения входного вала, например, на ДВС в качестве нагнетателя системы наддува или в качестве компрессора пневматической системы торможения автомобиля. Особенность работы будет в том, что с ростом скорости входного вала энергия, аккумулируемая вторым ротором возрастает, что приводит к росту максимального давления подачи и производительности. В системе наддува это позволяет повысить крутящий момент при переходе от малых оборотов к средним оборотам двигателя. Прирост производительности при дальнейшем увеличении оборотов легко ограничивается за счет дросселирования на впуске, автоматически возрастающего при малых проходных сечениях впускных каналов нагнетателя. Применение нагнетателя в качестве компрессора тормозной системы позволяет, во-первых, значительно уменьшить габариты и массу компрессора при той же производительности за счет увеличения рабочих частот входного вала, что допускают роторные машины без ущерба для прочности и ресурса, а во-вторых, уменьшить энергозатраты на привод при работе автомобиля на дороге, не требующей частых торможений. При достижении максимального давления в ресивере, уровень которого меньше, чем при работе с поршневым нерегулируемым компрессором, в роторном нагнетателе происходят сжатие-расширение рабочего тела с отосительно малыми затратами энергии, а механические потери энергии значительно меньше по сравнению с КШМ поршневого.

Предложенный нагнетатель может работать в качестве насоса при небольших изменениях рассмотренного рабочего процесса, связанных с повышением плотности рабочего тела.

Использование: в машиностроении, в частности, в роторных нагнетателях и может быть применено в компрессоростроении и насосостроении. Сущность изобретения: роторный нагнетатель регулируемой производительности имеет корпус с нагнетательным каналом, два соосных ротора с лопатками, взаимодействующими с корпусом с образованием рабочих камер переменного объема, входной вал, зубчатую передачу с некруглыми колесами и регулятор производительности, взаимодействующий с одним из роторов. Один из роторов снабжен дополнительной инерционной массой, установлен свободно относительно входного вала и взаимодействует с другим ротором лопатками с образованием между смежными лопатками демпфера переменного сопротивления периодического действия, а регулятор производительности выполнен в виде нагнетательного клапана с подпружиненным рабочим органом, установленным в нагнетательном канале корпуса. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Роторный нагнетатель регулируемой производительности, имеющий корпус, в котором выполнен нагнетательный канал, первый и второй роторы, снабженные закрепленными лопатками, установленные соосно и взаимодействующие с корпусом лопатки с образованием рабочих камер переменного объема, зубчатую передачу, выполненную с некруглыми колесами и соединяющую входной вал с первым ротором, и регулятор производительности, взаимодействующий с вторым ротором, отличающийся тем, что второй ротор снабжен дополнительной инерционной массой в виде закрепленного динамически уравновешенного груза, установлен свободно относительно входного вала и взаимодействует с первым ротором с образованием между смежными лопатками демпфера переменного сопротивления циклического действия, рабочая полость которого включает в себя вредное пространство и часть проточного объема рабочей камеры, а регулятор производительности выполнен автоматически в виде нагнетательного клапана с подпружиненным рабочим органом, установленным в нагнетательном канале корпуса. 2. Нагнетатель по п. 1, отличающийся тем, что дополнительная инерционная масса сосредоточена в лопатках ротора, выполненных с увеличением размеров по окружности относительно одноименных размеров лопаток первого ротора.