РОТОРНЫЙ КОМПРЕССОР КАШЕВАРОВА "РКК-15" Российский патент 1998 года по МПК F04C2/46 F04C18/46 F02B53/00 F01C1/46 

Роторный компрессор РКК-15 предназначается в комплект роторных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) для подачи воздуха в камеру сгорания с давлением более 6 кг/см².

Наиболее близким к изобретению является роторный компрессор, содержащий цилиндрический корпус, цилиндрический ротор, установленный в статоре с образованием камеры всасывания и камеры сжатия, вал вращения ротора, установленный в торцевых стенках статора, и воздуховоды (GB, 2169964 A, кл. F 01 C 1/46, опубл. 23.07.86).

Недостатками этого компрессора являются низкие КПД и удельная производительность, что, в свою очередь, снижает КПД и удельную мощность роторного ДВС, в комплект которого он предназначается.

Задачей изобретения является не только повышение производительности и КПД компрессора, но также улучшение удельной мощности и КПД роторного ДВС, в комплект которого он предназначается.

Большая удельная производительность РКК-15, чем у аналога, по объему сжижаемого воздуха до требуемой плотности обусловлена большим объемом камеры сжатия при равном объеме компрессора, а больший КПД обусловлен меньшими потерями на трение при равной производительности сжатого воздуха до заданной степени сжатия.

Поставленная задача достигается за счет того, что в роторном компрессоре, содержащем цилиндрический статор, цилиндрический ротор, установленный в статоре с образованием камеры всасывания и камеры сжатия, вал вращения ротора, установленный в торцевых стенках статора, и возуховоды, статор снабжен дверцей, камеры всасывания и сжатия отделены друг от друга дверцей статора, установленной на оси вращения, которая, в свою очередь, установлена на образующей цилиндрической поверхности статора, на конце оси вращения дверцы статора под постоянным углом к дверце закреплен рычаг, установленный в картерной коробке, служащей продолжением цилиндрической поверхности статора, в картерной коробке на валу вращения ротора закреплен шаблон, выполненный в виде эксцентрикового диска, на конце рычага установлен с возможностью контакта с цилиндрической поверхностью диска ролик, снабженный пружиной, прижимающей его к диску, по сторонам оси вращения дверцы статора установлены воздуховод ввода в камеру всасывания атмосферного воздуха или газа с окном, перекрытым цилиндрическими перемычками, и воздуховод вывода сжатого воздуха или газа из камеры сжатия, перекрытый подпружиненной дверцей с осью вращения, параллельной оси вращения дверцы статора, вал вращения ротора имеет канал с отверстиями для прохода охлаждающего воздуха через ротор, последний установлен в статоре эксцентрично. Компрессор снабжен дополнительными роторами, установленными в статоре на общем валу вращения, статор снабжен наружными радиальными ребрами с возможностью увеличения его поверхности охлаждения и дополнительными торцевыми стенками, отделяющими друг от друга смежные роторы и картерную коробку, причем участки цилиндрических поверхностей смежных роторов, наиболее удаленные от оси их вращения, расположены в одной диаметральной плоскости статора или в диаметральных плоскостях последнего, расположенных друг к другу под углом, равным 360^o, деленным на число роторов в статоре. Причем на образующейся поверхности каждого ротора на участке, наиболее удаленном от оси его вращения, закреплена пластинчатая пружина, перекрывающая зазор между цилиндрическими поверхностями статора и ротора, на торцевых поверхностях крайних роторов установлены пластинчатые пружины, перекрывающие зазоры между торцевыми поверхностями ротора и статора, каждый ротор выполнен полым и установлен на валу вращения посредством втулки, соединенной радиальными стенками с образующей цилиндрической поверхностью ротора с образованием камер, сообщенных с камерами смежных роторов и с каналом вала, который, в свою очередь, соединен по концам с воздуховодами, имеющими клапаны, управляемые компьютером, в средней части канала вала установлена пробка с отверстием. Кроме того, дверца статора снабжена пластинчатой пружиной, перекрывающей зазор между краем дверцы и цилиндрической поверхностью ротора, и торцевыми ребрами жесткости, на которых установлены пластинчатые пружины, перекрывающие зазоры между торцевыми поверхностями статора и его дверцы.

На фиг. 1 дано поперечное сечение РКК (сечение А-А на фиг. 5); на фиг. 2 - положение "а", "б", "в", "г" и "д" шаблона, рычага, ротора и дверцы и сечение по Ж-Ж на фиг. 5 (положение "г"); на фиг. 3 - места Л и М на фиг. 1 в увеличенном виде; на фиг. 4 - положение "е", "ж", "з" ротора и дверцы; на фиг. 5 - сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 6 - места Н и О на фиг. 5 в увеличенном виде; на фиг. 7 - сечение В-В и Г-Г на фиг. 2 г; на фиг. 8 - сечения Д-Д и Е-Е на фиг. 2.

Роторный процессор РКК-15 имеет статор 1 с ротором 2 и рабочим валом 3, вращающимся вокруг геометрической оси 4 внутренней круговой цилиндрической поверхности статора 1. При этом ротор 2 жестко соединен своими радиальными стенками 5 с втулкой 6, закрепленной на валу 3.

По наружной цилиндрической поверхности ротора 2 при его вращении скользит своей пластинчатой пружиной 7 дверца 8, жестко соединенная со своей осью вращения 9, установленной на статоре 1 параллельно образующей его цилиндрической поверхности. С концом оси 9 жестко соединен рычаг 10, скользящий своим роликом 11 по цилиндрической поверхности шаблона 12, жестко соединенного с валом 3. Профиль цилиндрической поверхности шаблона 12 выбран таким, что в любой момент вращения ротора 2 между краем дверцы 8, на котором закреплена пружина 7, и поверхностью ротора 2 выдерживается зазор в 1-2 мм, перекрываемый пружиной 7.

Поверхности статора 1, ротора 2 и шаблона 12 удовлетворяют также следующим условиям: I - образующая цилиндрической поверхности ротора 2 с наибольшим радиусом в любой момент вращения ротора 2 проходит с зазором в 1-2 мм от круговой цилиндрической поверхности статора 1, перекрываемым пластинчатой пружиной 13 ротора 2; II - в начальный момент вращения ротора, условно принятый при прохождении пружины 13 ротора 2 под пружиной 7 дверцы 8, в точке "а" на фиг. 1 и 3 скорость вращения дверцы 8 и рычага 10 равна нулю; III - при проходе пружиной 13 ротора 2 от точки "а" до точки "б" на краю воздуховода 14 (фиг. 4) скорость вращения дверцы 8 плавно возрастает до максимального ее значения при прохождении ротором положения "Ж" на фиг. 4, а затем плавно уменьшается до нулевого ее значения при прохождении пружиной 13 ротора 2 точки "б", когда пружина 7 дверцы 8 переходит на круговую цилиндрическую поверхность малого радиуса ротора 2. Во время поворота ротора 2 от точки "а" до точки "б" давление воздуха по обе стороны дверцы 8 и ротора 2 почти равно давлению воздуха в воздуховоде 14. В это время вращение дверцы 8 происходит под воздействием пружины 15, соединенной с рычагом 10 толстым концом и прижимающий ролик 11 рычага 10 к шаблону 12 в картонной коробке 16, установленной на торцевой стенке 17 статора 1. Тонкий конец пружины 15 упирается в цилиндрическую поверхность коробки 16 с наибольшим усилием при положении рычага 10 у точки "а" и без усилия между точками "б" и "г". Во время вращения ротора 2 от точки "а" до точки "б" ротор 2 скользит своей пружиной 13 по внутренней поверхности дверцы 8, а затем по цилиндрическим перемычкам 18 окна воздуховода 14; IV - при проходе пружиной 7 точки "в" в начале круговой цилиндрической поверхности ротора 2 с наименьшим радиусом скорость вращения дверцы 8 плавно уменьшается от максимальной в положении "б" до нулевой в положении "в"; V - при проходе пружиной 7 дверцы 8 от положения "в" до положения "г", соответствующего концу круговой цилиндрической поверхности ротора 2 с малым (наименьшим) радиусом, скорость вращения дверцы остается нулевой; VI - при проходе пружиной 7 от положения "г" до положения "а" скорость движения дверцы плавно возрастает до максимальной в средний момент времени движения ротора между точками "г" и "а", а затем плавно уменьшается до нулевой в точке "а". В соответствии с вышеустановленными скоростями вращения дверцы 8 статора и рычага 10, жестко с ней связанного через ось 9, определен профиль цилиндрической поверхности шаблона 12.

Во время движения ротора 2 от точки "б" до точки "а" происходит сжатие воздуха в камере сжатия 19, образовавшейся между передней поверхностью ротора 2 и наружной (выпуклой) поверхностью дверцы 8 статора. В момент движения ротора 2, когда давление воздуха в камере сжатия 19 превысит давление воздуха в воздуховоде 20 и давление, оказываемое пружиной на дверцу 21 через ось ее вращения 22, дверца 21 откроется, и сжатый воздух начнет поступать из камеры сжатия 19 воздуховод 20 и далее в баллоны для сжатого воздуха.

Между вогнутой внутренней поверхностью дверцы 8 и задней поверхностью ротора 2 образована камера всасывания 23, в которую входит воздух из воздуховода 14. Максимальная величина камеры 23 возникает в момент прохода ротором 2 точки "а", изображенной на фиг. 1. Во время вращения ротора 2 от точки "а" до точки "б" происходит уменьшение объема камеры 23. Однако в силу инерционности движения воздуха в воздуховоде 14 в камеру 23 масса воздуха в камере 23 не уменьшается и происходит его сжатие /поджатие/ еще до образования камеры сжатия 23, которая возникает в момент прохода ротором 2 точки "б" с включением в процесс сжатия всей массы воздуха, находящейся в камере 23.

При сжатии воздух нагревается. Для уменьшения температуры его нагрева статор 1 выполнен из металла с хорошей теплопроводностью и с радиаторными (радиальными) ребрами 24, увеличивающими поверхность охлаждения статора 1. Для стационарных установок компрессор может вместо радиаторных ребер 24 иметь водяную рубашку охлаждения.

С учетом более равномерной подачи сжатого воздуха потребителю, а также с целью устранения биения из-за асимметричной нагрузки роторов 2 на вал 3 они установлены так, как показано на фиг. 1, пунктирной линией показано положение ротора 2 в смежной камере 23, которых может быть более 2-х в статоре 1 компрессора. На фиг. 5 дано сечение по Б-Б на фиг. 1 с четырьмя камерами 23 и роторами 2, при этом роторы 2 установлены на валу 3 наибольшими радиусами, совмещенными с общим диаметром цилиндрической поверхности статора 1.

Наибольшие радиусы цилиндрической поверхности (участки, наиболее удаленные от оси вращения) смежных роторов могут быть расположены и под углом друг к другу, равным 360^o, деленным на число роторов, установленных в статоре. Зазор между поверхностями торцевых стенок 17 и 25 (фиг. 7, сечение по В-В) соответственно статора 1 и ротора 2, а также между торцевыми поверхностями дверцы 8 статора и стенками 17 статора 1 делается минимально возможным для вращения ротора 2 и дверцы 8 при заданных габаритах РКК-15 для предотвращения утечки воздуха в зазоры между этими деталями в объеме более 1% сжимаемого воздуха. С этой же целью зазор между стенками 17 и 25 перекрыт пластинчатой пружиной 26, установленной в пазу 27 стенки 25 ротора 2 вблизи его цилиндрической поверхности наименьшего радиуса. Паз 27 выполнен в виде ломаной линии, в прямолинейные стороны которого вставлены отрезки пружины 26. Зазор между торцевой поверхностью дверцы 8 статора и стенкой статора 17 перекрыт пружиной 28, установленной в пазу 29 увеличенной торцевой поверхности 30 дверцы 8 (фиг. 7, сечение Г-Г).

В малых по габаритным размерам РКК-15 пазы 27 и 29 с пружинами 26 и 28 выполняются, т.к. зазоры между торцевыми стенками 26 и 28 не выполняются, т. к. зазоры между торцевыми стенками ротора, дверцы и статора могут быть уменьшены в такой мере, что утечка через них сжатого воздуха не будет иметь существенного значения для производительности и КПД компрессора РКК-15.

Уширенные торцевые стенки дверцы 8 одновременно являются ее ребрами жесткости, которые обеспечивают вместе с цилиндрической поверхностью дверцы 8 необходимую ей прочность и неизменность формы при заданных давлениях сжимаемого воздуха.

На фигурах сплошными стрелками обозначено направление движения, а пунктирными стрелками - направление давления сжимаемого воздуха на пружины 7, 13, 26 и 28. Это давление, умноженное на площадь зазора, перекрытого пружиной, создает силу, прижимающую пружину к поверхности, по которой она скользит своим загнутым концом.

Работа РКК-15
Для работы РКК-15 устанавливают так, чтобы радиус, соединяющий ось 4 вращения ротора 2 и ось 9 вращения дверцы 8, был бы горизонтален и чтобы уровень масла в картонной коробке 16 находился не ниже 0,9 наибольшего радиуса шаблона 12 от оси 4 его вращения. Тогда при вращении шаблонов 12 масло будет расплескиваться двумя шаблонами 12 по всему объему коробки 16, смазывая трущиеся (скользящие) поверхности роликов 11 и шаблонов 12.

Вращение вала 3 производят с помощью роторного ДВС или электродвигателя с заданной скоростью, соответствующей наибольшему КПД и наибольшей удельной производительности РКК-15.

Воздух, сжатый компрессором, поступает в баллон, в котором он охлаждается и из которого он поступает потребителю, например роторному двигателю РДК-15. В баллоне установлен электродатчик давления, соединенный с компьютером, управляющим работой двигателя, вращающего вал 3 РКК-15. Если давление воздуха в баллоне превышает заданное, то компьютер останавливает или заменяет вращение вала 3 двигателя.

Воздух в камеру 23 поступает из воздуховода 14 в течении 0,85 периода вращения ротора 2, а объем камеры 23 составляет более половины объема, занимаемого РКК-15. Во сколько раз больше объем камеры всасывания компрессора при равном объеме (равной массе) всего компрессора и равной скорости вращения вала 3, во столько раз больше его удельная производительность. По этой характеристике РКК-15 во много раз превосходит многие известные компрессоры.

Большой объем камеры 23 создает устройство вращения дверцы 8, обеспечивающее скольжение ее пружины 7 по ротору 2 с малым давлением, пропорциональным давлению сжимаемого воздуха на дверцу 8. Это устройство через ось 9 и рычаг 10 с роликом 11, скользящим по шаблону 12, воспринимает на себя все давление сжимаемого воздуха на дверцу 8. Поверхность шаблона 12, по которой с малой силой трения скользит ролик 11, смазывается маслом в картонной коробке 16 с нормальным давлением и температурой воздуха в герметически замкнутом пространстве, исключающем возможность расхода масла на его испарение.

Профиль цилиндрической поверхности шаблона 12, по которой скользит ролик 11, определяется принятой величиной зазора, перекрываемого пружиной 7 дверцы 8, и профилем цилиндрической поверхности ротора 2, обеспечивающим наибольший объем камеры 23 всасывания воздуха, при допустимых углах скольжения ролика 11 по шаблону 12.

Больший КПД компрессора РКК-15, чем у известных компрессоров, обусловлен малыми потерями на трение дверцы 8 о ротор 2 и ротора 2 о статор 1, а также малой величиной утечки воздуха в зазоры, приходящиеся на равный объем сжимаемого воздуха до заданного давления. Большому значению КПД и удельной производительности РКК-15 способствует отсутствие мертвого пространства и использование оборота вала 3 одновременно на 360^o для всасывания воздуха в камеру 23 и на 300^o для сжатия воздуха в камере 19, тогда как в прототипе каждая из камер всасывания и сжатия составляет менее 1/3 оборота вала ротора.

Для охлаждения роторов 2 в осевой канал 4 вала 3 подается наружный (холодный) воздух, который проходит через отверстия 31 в валу 3 и втулке 6 и через камеры 32, образованные корпусом ротора 2 и радиальными стенками 5, а затем выходит из камер 32 в противоположный конец осевого канала 4 через отверстия 34. Осевой канал 4 вала 3 перекрыт в средней части вала 3 пробкой 35 с малым отверстием 36, а направление движения воздуха в канале 4 периодически меняется на обратное с помощью системы клапанов 37, управляемых компьютером и установленных в воздуховодах 38, подходящих к осевому каналу 4 вала 3 с обеих торцевых сторон статора 1.

Компрессор предназначен для работы в комплекте с ДВС. Компрессор содержит цилиндрические статор и ротор, установленный на валу в статоре с образованием камер всасывания и сжатия, и воздуховоды. Статор снабжен дверцей, отделяющей камеры всасывания и сжатия и установленной на оси ее вращения, которая, в свою очередь, установлена на образующей цилиндрической поверхности статора, на конце оси дверцы под углом к ней закреплен рычаг. В картерной коробке на валу ротора закреплен шаблон, выполненный в виде эксцентрикового диска, на конце рычага установлен с возможностью контакта с цилиндрической поверхностью диска ролик, снабженной пружиной, прижимающей его к диску. По сторонам оси вращения дверцы статора установлены воздуховод ввода в камеру всасывания атмосферного воздуха или газа с окном, перекрытым цилиндрическими перемычками, и воздуховод вывода сжатого воздуха или газа камеры сжатия, перекрытый подпружиненной дверцей с осью вращения, параллельной оси вращения дверцы статора. Вал ротора имеет канал с отверстиями для прохода охлаждающего воздуха через ротор, последний выполнен полым и установлен в статоре эксцентрично. В статоре на одном валу может быть установлено несколько роторов. Изобретение обеспечивает повышение производительности и КПД компрессора и роторного ДВС, в комплект которого он предназначен. 3 з.п.ф-лы, 8 ил.

1. Роторный компрессор, содержащий цилиндрический статор, цилиндрический ротор, установленный в статоре с образованием камеры всасывания и камеры сжатия, вал вращения ротора, установленный в торцевых стенках статора, и воздуховоды, отличающийся тем, что статор снабжен дверцей, камеры всасывания и сжатия отделены друг от друга дверцей статора, установленной на оси ее вращения, которая, в свою очередь, установлена на образующей цилиндрической поверхности статора, на конце оси вращения дверцы статора под постоянным углом к дверце закреплен рычаг, установленный в картерной коробке, служащей продолжением цилиндрической поверхности статора, в картерной коробке на валу вращения ротора закреплен шаблон, выполненный в виде эксцентрикового диска, на конце рычага установлен с возможностью контакта с цилиндрической поверхностью диска ролик, снабженный пружиной, прижимающей его к диску, по сторонам оси вращения дверцы статора установлены воздуховод ввода в камеру всасывания атмосферного воздуха или газа с окном, перекрытым цилиндрическими перемычками, и воздуховод вывода сжатого воздуха или газа из камеры сжатия, перекрытый подпружиненной дверцей с осью вращения, параллельной оси вращения дверцы статора, вал вращения ротора имеет канал с отверстиями для прохода охлаждающего воздуха через ротор, последний установлен в статоре эксцентрично. 2. Компрессор по п. 1, отличающийся тем, что снабжен дополнительными роторами, установленными в статоре на общем валу вращения, статор снабжен наружными радиальными ребрами с возможностью увеличения его поверхности охлаждения и дополнительными торцевыми стенками, отделяющими друг от друга смежные роторы и картерную коробку, причем участки цилиндрических поверхностей смежных роторов, наиболее удаленные от оси их вращения, расположены в одной диаметральной плоскости статора или в диаметральных плоскостях последнего, расположенных друг к другу под углом, равным 360^o, деленным на число роторов в статоре. 3. Компрессор по п. 2, отличающийся тем, что на образующей поверхности каждого ротора на участке, наиболее удаленном от оси его вращения, закреплена пластинчатая пружина, перекрывающая зазор между цилиндрическими поверхностями статора и ротора, на торцевых поверхностях крайних роторов установлены пластинчатые пружины, перекрывающие зазоры между торцевыми поверхностями ротора и статора, каждый ротор выполнен полым и установлен на валу вращения посредством втулки, соединенной радиальными стенками с образующей цилиндрической поверхностью ротора с образованием камер, сообщенных с камерами смежных роторов и с каналом вала, который, в свою очередь, соединен по концам с воздуховодами, имеющими клапаны, управляемые компьютером, в средней части канала вала установлена пробка с отверстием. 4. Компрессор по п. 1, отличающийся тем, что дверца статора снабжена пластинчатой пружиной, перекрывающей зазор между краем дверцы и цилиндрической поверхностью ротора, и торцевыми ребрами жесткости, на которых установлены пластинчатые пружины, перекрывающие зазоры между торцевыми поверхностями статора и его дверцы.