РОТОРНАЯ КОМПРЕССОРНО-РАСШИРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F04C18/00 

Изобретение относится к отопительной и холодильной технике и предназначено в основном для применения в теплонасосных установках для отопления помещений при использовании тепла окружающей среды и для охлаждения холодильных камер при подаче в них отработанного рабочего тела, в качестве которого принят атмосферный воздух.

Известна компрессорно-расширительная установка, применяемая для отопления помещений, которая содержит центробежный компрессор и центростремительную турбину. Эта установка для отопления помещений использует тепло окружающей среды, величина которого может превышать более чем в 3 раза затраты энергии для привода установки, которая является меньшей составляющей частью тепла, производимого установкой для отопления помещений (см. Хайнрих и др. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения. М. Стройиздат, 1985, рис. 2.23).

Известная установка сложна в изготовлении и может применяться только для выработки большого количества тепла и забирает из окружающей среды очень много воздуха, что требует применения объемного нагревателя для передачи от нее тепла и использования трубопроводов большого диаметра для соединения ее с нагревателем (обогревателем) и с окружающей средой. А поэтому не находит спроса у населения для отопления частных домов, квартир и дач и создания холодильных камер.

Известна также роторная компрессорно-расширительная установка, содержащая корпус, ротор, эксцентриковый вал и торцевые крышки, примененная для двигателя внутреннего сгорания Ванкеля, в котором корпус выполнен овальным и закрыт торцевыми крышками и в нем размещается трехгранный ротор, сидящий свободно на эксцентриковом валу, проходящем через центр корпуса, а в вершинах ротора установлены радиальные уплотнительные пластины и с торцов ротор уплотнен торцевыми уплотнительными пластинами. А синхронизация вращения ротора и эксцентрикового вала в ней достигается с помощью двух шестерен внутреннего зацепления, из которых одна с внутренними зубьями закреплена жестко на роторе, а вторая с наружными зубьями на корпусе (см. Н.С. Ханин и др. Автомобильные роторно-поршневые двигатели. М. 1964, фиг.30). И такую установку можно применять для теплонасосной установки при выработке небольшого количества тепла при использовании в большей мере тепла окружающей среды.

Однако при тщательном рассмотрении такой установки выясняется, что в ней трудно обеспечить газораспределение, так как на внутренней поверхности корпуса нельзя выполнять для этого каналы, потому что через них будет перетекать рабочее тело между камерами вследствии линейного контакта радиальных уплотнительных пластин ротора с поверхностью корпуса, а радиальная поверхность ротора не может их перекрывать потому, что корпус имеет сложный профиль эпитрохоиды. А следовательно, такая установка трудна в изготовлении и не обеспечит надежности работы, но, кроме того, в ней будут возникать значительные механические потери вследствие большой окружной скорости движения радиальных уплотнительных пластин ротора по рабочей поверхности корпуса и неудовлетворительного наличия смазки между ними по причине их линейного контакта, а дополнительные механические потери создают и синхронизирующие шестерни.

Технической задачей изобретения является создание такой роторной компрессорно-расширительной установки, которая будет более проста по конструкции и будет иметь более надежное газораспределение, лучшее уплотнение, а синхронизация вращения ротора и эксцентрикового вала производится в ней без применения дополнительных деталей или сложных шестерен, чтобы достичь в результате этого высокой эффективности работы и повысить у населения спрос на ее применение в быту в сельских местах и на дачах, а также и в торговых палатках и киосках на улицах городов.

Технический результат достигается тем, что роторная компрессорно-расширительная установка, которая имеет цилиндрические корпус и ротор, располагающиеся соосно и в продольном направлении разделенные на две части: компрессорную и расширительную, а по диаметральным осям в этих частях ротора выполнено по одной сквозной цилиндрической расточке (минимальное количество) для компрессорного и расширительного цилиндров, в которых размещаются компрессорный и расширительный поршни, сидящие свободно на эксцентриках эксцентрикового вала, проходящего через корпус со смещением от его оси, и при этом для обеспечения лучшей синхронизации цилиндры в роторе размещаются перпендикулярно друг другу, а эксцентрики выполняются развернутыми в противоположные стороны и с величиной эксцентриситета, равной величине смещения эксцентрикового вала от оси корпуса, а в результате этого обеспечивается самосинхронизация движения всех подвижных деталей установки и вращение эксцентрикового вала осуществляется в два раза быстрее ротора.

На фиг. 1 изображена установка, поперечный разрез А-А; на фиг. 2 то же, продольный разрез.

Роторная компрессорно-расширительная установка имеет цилиндрический корпус 1, в котором размещается цилиндрический ротор, разделенный в продольном направлении на две части: компрессорную 2 и расширительную 3 условной линией 4, соответственно разделяющей и корпус 1 на такие же две части. С торцов корпус 1 закрыт торцевыми крышками 5 и 6, поставленными на уплотнительные прокладки 7 и прикрепленными к нему шпильками 8. А на торцевых крышках 5 и 6 выполнены центральные выступы 9, на которые через подшипники 10 и 11 краями торцов опирается ротор и через которые проходит эксцентриковый вал 12, опирающийся на подшипники 13 и 14, встроенные в центральные выступы 9. Эксцентриковый вал 12 имеет два эксцентрика 15 и 16, развернутых в противоположные стороны. Корпус и роторы располагаются соосно и имеют общую ось O-O, а ось эксцентрикового вала O₀-O₀ от оси корпуса на величину E и оси его эксцентриков O₁-O₁ и O₂-O₂ находится на таком же расстоянии от оси эксцентрикового вала, а это значит, что эксцентриситеты E₁ и E₂ эксцентриков 15 и 16 равны между собой и равны величине смещения эксцентрикового вала от оси корпуса. В компрессорной 2 и расширительной 3 частях ротора по его диаметральным осям выполнено по одной сквозной цилиндрической расточке (принято минимальное их количество), в которые устанавливаются соответственно компрессорный 17 и расширительный 18 цилиндры, располагающиеся перпендикулярно друг другу, и в них размещаются компрессорный 19 и расширительный 20 поршни, сидящие свободно на эксцентриках 15 и 16 на подшипниках 21 и 22, которые размещаются заподлицо с проточками 23 и 24, выполненными на боках поршней 19 и 20 двухстороннего действия, на головки которых устанавливаются уплотнительные силовые цилиндрические кольца 25, опирающиеся на подложенные под них гофрированные пружины 26. На торцах ротора и в его средней части выполнены отверстия 27 с учетом монтажа. И на одном конце эксцентрикового вала 12 имеются шлицы 28 для привода установки. На внутренней поверхности корпуса 1 выполнены впускной канал 29, соединенный с впускным окном 30 впускной горловины 31, и нагнетательный канал 32, сообщающийся с нагнетательным окном 33 нагнетательной горловины 34, приемный канал 35, сообщающийся с приемной горловиной 36, и выпускной канал 37, соединяющийся с выпускной горловиной 38. Вход воздуха из окружающей среды показан стрелкой 39, выходящий из установки нагретый и сжатый воздух показан стрелкой с треугольником 40 и возвращающийся в нее из нагревателя сжатый и охлажденный воздух показан стрелкой с треугольником и ноликом 41, а выходящий из нее отработанный переохлажденный воздух показан стрелкой с двумя ноликами 42. При этом ротор, выполненный заодно с компрессорной 2 и расширительной 3 частями, и установленные в последних соответствующие цилиндры 17 и 18 с размещенными в них компрессорным 19 и расширительным 20 поршнями двухстороннего действия и проходящий через все эти детали эксцентриковый вал 12 выполняют роль синхронизации взаимного их движения относительно друг друга, обеспечивая вращение эксцентрикового вала в два раза быстрее ротора, что достигается благодаря принятию величин эксцентриситетов эксцентриков эксцентрикового вала E₁ и E₂, равными величине E смещения эксцентрикового вала 12 относительно оси корпуса 1, а для обеспечения более плавной и надежной синхронизации компрессорный 17 и расширительный 18 цилиндры располагаются перпендикулярно друг другу и это требует разворота эксцентриков 15 и 16 на эксцентриковом валу 12 в противоположные стороны и поэтому компрессорный 19 и расширительный 20 поршни двухстороннего действия снабжены уплотнительными силовыми цилиндрическими кольцами 25, которые распираются гофрированными пружинами 26, предупреждающими соприкосновение радиальных поверхностей указанных поршней с поверхностями компрессорного 17 и расширительного 18 цилиндров.

Роторная компрессорно-расширительная установка работает следующим образом. На фиг. 1 показано вращение эксцентрикового вала 12 с угловой скоростью C₁ и соответственно с этой угловой скоростью вращаются и его эксцентрики 15 и 16 и на фиг. 1 отражено, что через центр эксцентрика 15-O₁ проходит линия действия его силы F₁ через поршень 19 и силовые уплотнительные кольца последнего 25 на стенки компрессорного цилиндра 17, плечо действия которой O-O₁ равно расстоянию между центром O-вращения ротора и центром O₁-эксцентрика 15, что обеспечивает образование крутящего момента, действующего на компрессорный цилиндр 17 и вызывающего вращение ротора с угловой скоростью C, и с такой же скоростью будет вращаться компрессорный поршень 19 на эксцентрике 15, а другой эксцентрик 16 создает силу F₂, действующую с плечом O-O₂, равным расстоянию от оси ротора O до оси O₂ центра этого эксцентрика, через расширительный поршень 20 и его силовые уплотнительные пластины 25, на стенки расширительного цилиндра 18 и вместе с ним способствует вращению ротора, так как на последний действует крутящий момент от силы F₂. А чтобы показать величину соотношения скоростей C вращения ротора с его компрессорной 2 и расширительной 3 частями и с C₁ вращения эксцентрикового вала 12, на фиг. 1 показано штрихпунктирными линиями предыдущее положение синхронизирующих деталей в компрессорной части установки, которые обозначены цифрами с одним штрихом, а в расширительной части аналогичные детали отражены в предыдущем положении штрихдвухпунктирными линиями и показаны цифрами с двумя штрихами, компрессорные цилиндр 17¹ и поршень 19¹ занимали вертикальное положение, центр эксцентрика 15 занимал на вертикальной оси установки положение O11

, горизонтальное положение занимали расширительные цилиндр 18'' и поршень 20'', а центр эксцентрика 16 занимал положение , совпадающее с центром вращения ротора O. А следовательно, в момент выхода из этих положений при вращении центра O11 в направлении C₁ через этот центр проходила сила, действующая на правую вертикальную стенку цилиндра 17¹ плечом O-O₁ и вызывающая вращение этого цилиндра вместе с ротором в том же направлении, но с меньшей угловой скоростью C, а при вращении в этот момент центра другого эксцентрика с угловой скоростью C₁ на верхнюю горизонтальную стенку цилиндра 18'' действовала сила при отсутствии плеча, так как точки O и совпадали, а поэтому не создавался крутящий момент, вызывающий поворот ротора и, следовательно, отмеченное положение расширительного цилиндра 18'', поршня 20'' и центра эксцентрика 16 следует считать стопорящими, из которого они могли выйти только за счет создания крутящего момента другим эксцентриком 15, что было рассмотрено выше, когда его центр находился в положении O11, и теперь становится очевидным, что по этой причине установка должна иметь не менее двух цилиндров: один компрессорный, а другой расширительный. Заметим, что в предыдущем положении компрессорный поршень 19¹ располагался так, что одна его сторона занимала самое удаленное положение от центра ротора O это верхняя сторона, а вторая нижняя сторона самое близкое положение к этому центру ротора O, и в этот момент нагнетательный поршень 20'' занимал среднее положение, то есть его правая и левая стороны находились на одинаковом расстоянии от центра ротора O. А затем при повороте центра O₁ эксцентрика 15 на 90^o ротор с компрессорной 2 и расширительной 3 частями повернулся на 45^o (фиг. 1) и это достоверно подтверждается тем, что в предыдущем положении центр ротора O и центр эксцентрика 15- O11 проходили через ось цилиндра, так и после поворота центр ротора O и центр эксцентрика O₁ проходят через ось компрессорного цилиндра 17, а из этого следует, что эксцентриковый вал вращается в два раза быстрее ротора, а в подтверждение этого можно добавить, что пробная модель для проверки синхронизации указанных деталей установки изготовлялась в отделении мастерской "Сельхозтехника" и это подтвердилось. Как видно из фиг. 1, при выходе из предыдущего положения компрессорного цилиндра 17¹, его верхняя камера придет в сообщение с впускным каналом 29 и при перемещении верхней стороны поршня 19¹ к центру ротора O в нее начнет поступать из окружающей среды воздух 39 через впускное окно 30 впускной горловины 31, а так как нижняя его камера уже закончила сообщение с впускным каналом 29 и нижняя сторона поршня 19¹ удалилась к центру ротора O на максимальное расстояние, то следовательно в этой камере завершился впуск воздуха и потом начнется его сжатие, которое будет продолжаться до прихода цилиндра 17¹ в сообщение с нагнетательным каналом 32, расположение которого на корпусе 1 позволяет произвести это (для принятого режима работы установки) при повороте цилиндра 17¹ на 90^o от вертикального его положения и при выполнении степени сжатия, равной двум, что обеспечивает наиболее оптимальную работу установки, а именно: осуществление нагрева газа при сжатии на 80-100^oC при достижении величины теоретического коэффициента использования тепла окружающей среды более чем в 4 раза по сравнению с затратами энергии на привод установки. А при повороте цилиндра 17¹ еще на 90^o он займет опять вертикальное положение, как отражено на фиг. 1, и из верхней части цилиндра 17¹ будет вытеснен весь нагретый сжатый воздух 40 через нагнетательное окно 32 и горловину 34 и прекратится его сообщение с нагнетательным каналом 32, а первоначальное положение этой камеры займет другая противоположная камера этого цилиндра. И в дальнейшем все процессы будут повторяться. На фиг. 1 четко видно, что при отраженном повороте цилиндра 17 на 45^o от вертикальной оси в правой части установки в цилиндр 17 производится впуск воздуха 39 из окружающей среды, а в левой части цилиндра 17 поршень 19 производит сжатие воздуха и потом при сообщении этой камеры с нагнетательным каналом 32 начнется вытеснение нагретого сжатием воздуха 40 в обогреватель, где при постоянном давлении от этого воздуха производится отбор тепла (обогреватель относится к комплекту теплонасосной установки и поэтому не показан). Из отраженного на фиг. 1 предыдущего положения расширительного цилиндра 18'' и его поршня 20'' видно, что правая часть этого цилиндра выходит из сообщения с приемным каналом 35, так как она уже полностью заполнена сжатым и охлажденным воздухом 41, поступившим в нее из обогревателя, и в дальнейшем в ней начнется расширение этого воздуха, которое закончится при повороте цилиндра 18'' на 90^o, то есть при занятии им вертикального положения, при выходе из которого этот цилиндр будет постоянно сообщаться с выпускным каналом 37 и через него и выпускную горловину 38 будет производиться выпуск в окружающую среду переохлажденного воздуха 42, как это отражено в левой части фиг. 1 расположения цилиндра 18'', который закончится при занятии этим цилиндром вертикального положения. Степень расширение в установке будет немного меньше степени сжатия, как это наблюдается в циклах с подводом и отводом тепла при постоянном давлении.

Роторная компрессорно-расширительная установка имеет хорошие технико-экономические показатели. Так как на радиальной поверхности ротора и корпуса выполняются насечки лабиринтного уплотнения, то будет отсутствовать трение между ними и механические потери, установка работает в режиме невысоких температур рабочего тела, а следовательно уплотнение цилиндро-поршневых групп будет работать при благоприятной смазке и с незначительными механическими потерями. Синхронизация вращения ротора и эксцентрикового вала обеспечивается вследствие выполнения им совместно с цилиндро-поршневыми группами роли самосинхронизации движения, а это и выполнение корпуса и ротора с цилиндрическими поверхностями, и размещение в них круглых цилиндро-поршневых групп значительно упрощает конструкцию установки и не требует для ее изготовления сложного оборудования. Она имеет высокий коэффициент использования тепла окружающей среды, который практически можно получить больше 3 по сравнению с затратами энергии на ее привод. Она имеет высокую компактность и небольшую производительность тепла и найдет быстро большой спрос у населения для отопления частных домов, квартир и дач и для создания холодильных камер.

Использование: в отопительной и холодильной технике. Сущность изобретения: установка имеет цилиндрический корпус и ротор, размещенные соосно, и при этом в продольном направлении они условно разделены на две части: компрессорную и расширительную, на внутренней поверхности корпуса имеются соответствующие каналы газораспределения, а в роторе - сквозные диаметральные расточки под компрессорный и расширительный цилиндры, которые располагаются под углом 90^o друг к другу с возможностью синхронизации вместе с находящимися в них поршнями двухстороннего действия и эксцентриковым валом. Корпус закрыт торцевыми крышками, на центральные выступы которых краями торцов опирается ротор и через которые со смещением от оси ротора проходит эксцентриковый вал, выполненный с двумя эксцентриками, развернутыми в противоположные стороны, на которых сидят свободно компрессорный и расширительный поршни двухстороннего действия. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Роторная компрессорно-расширительная установка, содержащая корпус с впускной и выпускной горловинами для сообщения с окружающей средой и с нагнетательной и приемной горловинами для присоединения к обогревателю, ротор, эксцентриковый вал и торцевые крышки, отличающаяся тем, что корпус и ротор выполнены цилиндрическими и размещены соосно, а в продольном направлении они условно разделены на компрессорную и расширительную части, на внутренней цилиндрической поверхности корпуса выполнены впускной, выпускной, нагнетательный и приемный каналы, сообщающиеся с соответствующими горловинами, а в роторе по диаметральным осям выполнены в обеих его частях сквозные цилиндрические расточки, в которые установлены компрессорный и расширительный цилиндры с соответствующими поршнями двустороннего действия (по одному при минимальном количестве), ротор краями торцов опирается на центральные выступы торцевых крышек, через которые проходит эксцентриковый вал со смещением от оси ротора и на его эксцентриках свободно сидят компрессорный и расширительный поршни двустороннего действия, из которых первый имеет больший диаметр по сравнению со вторым. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что ее ротор с компрессорным и расширительным цилиндрами и помещенные в последние соответствующие поршни и эксцентриковый вал выполнены как детали синхронизации и вследствие этого в роторе компрессорный и расширительный цилиндры располагаются перпендикулярно друг другу, а на эксцентриковом валу эксцентрики развернуты в противоположные стороны и выполнены с величиной эксцентриситетов, равной величине смещения эксцентрикового вала относительно оси ротора, а компрессорный и расширительный поршни двустороннего действия уплотнены силовыми цилиндрическими кольцами, под которые подложены гофрированные пружины.