НАГНЕТАТЕЛЬ ЛОПАСТНОЙ РАЙКОВА И.Я. Российский патент 1998 года по МПК F01C1/344 F04C2/344 F04C18/344 

Изобретение относится к машиностроению, в частности, к устройствам объемного типа для подачи (нагнетания) воздуха, газа или иного рабочего тела и может быть использовано для преобразования потенциальной энергии давления рабочего в механическую работу, т.е. как вторичный двигатель, например, для привода вспомогательных агрегатов двигателя.

Известен объемный лопастный приводной нагнетатель, содержащий неподвижный корпус с цилиндрической расточной по его оси и патрубками впуска и выпуска рабочего тела, полный ротор, эксцентрично расположенный относительно внутренней цилиндрической расточки в корпусе, приводной вал нагнетателя, соосный с этой расточкой, и по меньшей мере три лопасти, шарнирно связанные с валом с возможностью перемещения их относительно стенок корпуса и прорезей в стенках полого ротора, причем ведущая их лопастей имеет шпоночное соединение с валом, а полый ротор и вал нагнетателя вмонтированы в торцевые стенки корпуса на подшипниках качения (Райков Н.Я. Рытвинский Г.Н. Конструкция автомобильных и тракторных двигателей. М. Высшая школа, 1986, рис. 10.5.б).

Недостатки известного технического решения связаны с необходимостью ограничивать размеры лопастей разностью радиусов цилиндрической расточки в корпусе и приводного вала нагревателя, что негативно влияет на использование рабочей полости корпуса, увеличивая его габаритные размеры, с обязательностью гарантирования минимально возможных лазеров между стенками корпуса и лопастями, заведомо допуская уменьшение наполнения вследствие некоторого перетекания рабочего тела из полости сжатого во впускные полости, или же, не связывая лопасти шарнирами с валом, идти на повышение износа контактирующих поверхностей и увеличение механических потерь вследствие трения лопастей при непосредственном скольжении их по стенкам корпуса, а также с необходимостью устранения неизбежного циклического протекания рабочего тела между полостями корпуса и ротора в процессах впуска-нагнетания, снижающего общую эффективность нагнетателя из-за увеличения вредного объема.

Техническая задача изобретения заключается в том, чтобы повысить эксплуатационную эффективность и надежность объемных нагнетателей при одновременном относительном уменьшении их габаритных размеров, а также расширить функциональные возможности лопастных конструкций.

Технический результат достигается тем, что в нагнетателе объемного типа, содержащем корпус с цилиндрической расточкой по оси и ротор, эксцентрично размещенный в расточке корпуса и снабженный только одной лопастью, упомянутый корпус выполнен в виде барабана с торцевыми стенками и окнами впуска (выпуска) на цилиндрической образующей и установлен с возможностью вращения, ротор выполнен с окнами выпуска (впуска) на цилиндрической образующей и с полостями в его теле, а также с пазом, пересекающем его ось вращения, и снабжен опорными цапфами и упругими выступами-разделителями по наружным образующим, лопасть установлена в пазу ротора с возможностью радиального перемещения и шарнирно связана с торцевыми стенками барабана, причем, в зонах контакта ротора и барабана установлены элементы уплотнения, окна на цилиндрической образующей барабана снабжены экранами, расположенными под углом менее 90^o к потоку рабочего тела, а со стороны одной из торцевых стенок корпуса на крышке подшипника барабана выполнен шкив. К тому же наружная поверхность барабана выполнена с кольцевыми ребрами и окнами между ними.

Нагнетатель дополнительно содержит по меньшей мере еще один идентичный нагнетатель, установленный соосно с основным, причем корпуса основного и дополнительного нагнеталелей жестко соединены, а лопасти их установлены в противофазе.

На фиг. 1 показан нагнетатель, продольный разрез, на фиг.2 то же, поперечный разрез; на фиг.3 дана компоновка двух идентичных нагнетателей.

Нагнетатель содержит корпус 1, выполненный в виде барабана и эксцентрично расположенный в нем ротор 2 с одной лопастью 3, которая с помощью штифтов 4 шарнирно соединена с торцевыми стенками 5 барабана 1, вследствие чего вращение барабана 1 передается ротору 2, для которого лопасть 3 служит ведущим звеном. Радиальный стык между ними уплотнен эластичным элементом 6. Кроме того, лопасть 3 установлена в пазу ротора 2 с возможностью радиального перемещения и шарнирно связана с торцевыми стенками барабана и потому совершает только качательные (угловые) перемещения относительно торцевых стенок 5 барабана 1 и радиальные в пазу ротора 2; причем зазоры в зоне торцевых поверхностей лопасти уплотняются установкой в них пластин 7, поджимаемых к стенкам 5 пружинами 8.

Барабан и ротор установлены на шариковые подшипники 9 и 10 закрытого типа, но возможен и вариант с уплотняемыми подшипниками, как показано на фиг. 1. Привод нагнетателя осуществляется посредством шкива 11, выполняемого совместно с крышкой подшипника барабана. Заполняется нагнетатель через окна 12 в стенках барабана, располагаемых в зоне непосредственно за лопастью 3 между кольцевыми ребрами 13, которые увеличивают поверхность теплоотвода от барабана, причем каждое из окон снабжено экраном 14, установленным под углом к потоку <90^o с тем, чтобы обеспечивать подпор на входе в рабочую полость нагнетателя для лучшего заполнения ее при высокой частоте вращения барабана.

Выпуск рабочего тела осуществляется через клапаны 15, встроенные в окна стенок ротора 2 в зоне перед лопастью 3 (при вращении по часовой стрелке). Выпускной патрубок (не показан) установлен на опорную корпусную деталь 16, причем патрубок можно совместить с конструкцией установки нагнетателя на плиту, как показано на фиг.2. На выпуске рабочего тела из барабана на стыках торцевых стенок 5 барабана и ротора 2 предусмотрено эластичное уплотнение 17.

Между полостями впуска и выпуска установлены эластичные (упругие) элементы-разделители 18, которые закреплены на роторе по его наружным образующим через каждый, например, 30-60^o. В процессе сближения вращающихся ротора и барабана 1 разделители 18 входят в контакт со стенками последнего и, деформируясь, герметизируют данную зону и разделяют полости выпуска и впуска рабочего тела, каждая из которых примерно 280^o угла поворота ротора 2.

Ротор 2 в данной компоновке опирается на цапфы 19 и центрируется с помощью дисков 20, которые выполнены за одно целое с цапфами и снабжены окнами 21 для газообмена. При использовании для ротора подшипников качения открытого типа их уплотняют пластмассовыми элементами 22. Элементы 23 улучшают уплотнение лопасти и ротора.

Шкив 11 привода нагнетателя выполнен за одно целое с одной из крышек 24, которые совместно с барабаном 1 центрируются по наружной обойме подшипника 10 и образуют единый блок. Вследствие этого нагрузка от приводного ремня передается непосредственно на подшипник 10 и на опорную деталь 16, а барабан 1 и ротор 3 разгружаются от побочных воздействий приводного ремня. Опорные детали 16 имеют по три отверстия 25, служащие для закрепления выпускного патрубка и стоек крепления нагнетателя к плите (на фиг.1 не показаны).

Нагнетатель работает следующим образом.

Вращение шкива 11 передается непосредственно барабану 1 и далее через штифты 4 на лопасть 3 и ротор 2, для которого лопасть 3 является ведущим звеном. С момента, когда выпускные окна 12 при вращении системы по часовой стрелке выходит из разделительной зоны и до входа их вновь в эту зону после поворота примерно на 280^o, идет заполнение рабочей полости нагнетателя воздухом (газом) в условиях, когда на входе в окна 12 благодаря экранам 14 создается подпор, который возрастает по мере увеличения частоты вращения барабана, улучшая характеристику наполнения. Одновременно из полости барабана 1, расположенной перед полостью 3, воздух вытесняется через клапан 15 (окна на образующих ротора) в его полости и далее через проем, ограниченный внутренней обоймой подшипника 10, выпускной патрубок поступает в ресивер, частью которого могут служить патрубки и стойки опоры.

На фиг. 2 представлен вариант агрегата для работы в режиме вторичного двигателя. Он содержит два идентичных равновеликих нагнетателя 26 и 27, выполняемых по фиг.1 с лопастями 3, установленными в противофазе. Нагнетатели центрируются между собой посредством детали 28 и, будучи жестко соединены, образуют единый блок. Рабочее тело в полости роторов поступает через общий приемный патрубок 29 и соединяемые с ним впускные патрубки 30, которые крепятся к неподвижным опорным деталям 16 (фиг.1) и одновременно служат кронштейнами для установки агрегата на плиту с помощью лап 31. Шкив 11 в данном случае является ведущим.

Агрегат работает следующим образом.

Потоки под заданным делением подается в агрегат через окна 21 в полости ротора 2, а выводятся (выбрасываются в атмосферу) через окна 12 в стенках барабана.

Данный однолопастный нагнетатель барабанного типа может быть использован для наддува двигателей внутреннего сгорания и других целей, где требуется малогабаритные конструкции.

В нагнетателе размеры лопасти и величина ее радиального перемещения не ограничиваются разностью радиусов цилиндрической расточки в корпусе и приводного вала, так как лопасть может проходить через ось вала, более свободно выбирается также эксцентриситет между осями барабана и ротора, а принятые способы воздухообмена и уплотнений подвижных элементов позволят повысить эксплуатационную эффективность и надежность объемных нагнетателей примерно в 1,5 раза, поскольку лопасть не скользит по цилиндрическим образующим стенкам барабана, а совершает лишь качательные и радиальные перемещения относительно его торцевых стенок. При этом в сравнении с известными многолопастными конструкциями в 1,5-2,0 раза улучшается расчетное использование рабочей полости барабана (корпуса).

Принципиальная схема и конструкция основных узлов нагнетателя позволят повысить выходные давления, свойственные лопастным конструкциям, а также использовать его в качестве вторичного двигателя.

Использование: в машиностроении, в частности в устройствах объемного типа для подачи воздуха или иного рабочего тела. Сущность изобретения: нагнетатель содержит вращающийся корпус в виде барабана с торцевыми стенками и окнами на цилиндрической образующей, эксцентрично размещенный в корпусе ротор с пазом и окнами, а также опорными цапфами и упругими выступами-разделителями. Лопасть установлена в пазу ротора с возможностью радиального смещения и шарнирно связана с торцевыми стенками барабана. В зонах контакта ротора и барабана установлены уплотнения. Окна барабана снабжены экранами, расположенными под углом менее 90^o к потоку рабочего тела, а на торцевой стенке корпуса выполнен шкив. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Нагнетатель лопастной, содержащий корпус с цилиндрической расточкой по оси, ротор, эксцентрично размещенный в расточке корпуса, и лопасть, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде барабана с торцевыми стенками и окнами впуска или выпуска на цилиндрической образующей и установлен с возможностью вращения, ротор выполнен с окнами выпуска или впуска на цилиндрической образующей и с полостями в его теле, а также с пазом, пересекающим его ось вращения, и снабжен опорными цапфами и упругими выступами разделителями по наружным образующим, лопасть установлена в пазу ротора с возможностью радиального перемещения и шарнирно связана с торцевыми стенками барабана, причем в зонах контакта ротора и барабана установлены элементы уплотнения, окна на цилиндрической образующей барабана снабжены экранами, расположенными под углом менее 90^o к потоку рабочего тела, а со стороны одной из торцевых стенок корпуса на крышке подшипника барабана выполнен шкив. 2. Нагнетатель по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность барабана выполнена с кольцевыми ребрами и окнами между ними. 3. Нагнетатель по п.1 отличающийся тем, что он дополнительно содержит по меньшей мере еще один идентичный нагнетатель, установленный соосно с основным, причем корпуса основного и дополнительного нагнетателей жестко соединены, а лопасти их установлены в противофазе.