РОТОРНАЯ МАШИНА Российский патент 1998 года по МПК F01C1/344 F04C2/344 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в насосах и гидромоторах. В качестве рабочей среды в роторной машине применимы жидкости и газы. Под регулированием имеется в виду настройка машины на определенный объем рабочей камеры. В случае использования машины в качестве насоса возможно, таким образом, изменение его подачи, а в качестве гидромотора изменение числа гидромотора изменение числа оборотов, получаемое на валу.

Известна роторная машина (заявка на Европейский патент N 0261682), содержащая размещенный в корпусе ротор, имеющий радиальные прорези, в которых установлены с возможностью перемещения в радиальном направлении шибера. Рабочая камера в радиальном направлении ограничена поверхностью ротора и внутренней периферийной поверхностью корпуса, имеющей эллиптическое поперечное сечение. При вращении ротора шибера под действием центробежных сил выдвигаются из ротора, прижимаясь к внутренней поверхности корпуса, которая является средством, задающим радиальное взаиморасположение шиберов, и скользят по ней, создавая в рабочей камере зоны низкого и высокого давления.

В осевом направлении рабочая камера ограничена двумя торцевыми элементами, первый из которых прилегает к одному торцу ротора и выполнен подвижным в осевом направлении, а второй установлен с другой стороны ротора и вращается вместе с ним. Этот второй торцевой элемент, именуемый в названной заявке как элемент, предназначенный для изменения производительности машины, имеет полость, в которую частично введен ротор с шиберами. Длина той части ротора, которая не введена в полость второго торцевого элемента, определяет осевую длину рабочей камеры.

Путем перемещения первого подвижного в осевом направлении торцевого элемента ротор можно задвигать в полость второго торцевого элемента в большей или меньшей мере, изменяя таким образом осевую длину рабочей камеры и соответственно ее объем.

Аналогичные машины, в которых шибера в роторе перемещаются в радиальном направлении, описаны в международной заявке N 88/02438 и в заявке Великобритании N 2207953. В этих машинах также предусмотрена возможность изменения объема рабочей камеры, однако, в отличие от рассмотренной выше машины, объем рабочей камеры изменяется путем не осевого, а радиального ее размера. Так, в роторной машине согласно заявке Великобритании N 2207953 шибера в роторе поджаты пружинами к внутренней профилированной поверхности охватывающего ротор кольца, снабженного подвижным в радиальном направлении сегментом, установленным в зоне между впускным и выпускным отверстиями машины.

Радиальное положение сегмента определяет объем рабочей камеры машины. В роторной машине согласно международной заявке N 88/02438 ротор установлен с возможностью скольжения относительно корпуса, внутренняя периферийная стенка которого имеет эллиптическое поперечное сечение в направлении, перпендикулярном оси вращения.

Недостатком роторных машин с радиальным перемещением шиберов являются трудности с созданием уплотнений в рабочей камере, так как рабочая камера имеет участки поверхности с переменной кривизной.

В качестве ближайшего аналога выбрана роторная машина (заявка Великобритании N 1469583), содержащая установленный в корпусе ротор с радиальными прорезями, в которых размещены с возможностью движения вдоль оси вращения ротора шибера. Рабочая камера машины ограничена в осевом направлении противолежащими торцами корпуса и ротора, а в радиальном направлении - участками поверхности вала ротора и внутренней цилиндрической поверхности корпуса, заключенными между указанными торцами ротора и корпуса. В рабочей камере установлена перегородка, разделяющая впускное и выпускное отверстия и прилегающая с возможностью скользящего контакта к торцу ротора и валу ротора. При вращении ротора шибера совершают сложное движение, вращаясь вместе с ним и одновременно перемещаясь вдоль его оси вращения. Когда шибера находятся в удалении от перегородки, они выдвинуты в рабочую камеру из ротора. По мере приближения шиберов к перегородке, в процессе вращения ротора, они постепенно вдвигаются в ротор до положения, в котором они не выступают за торец ротора. В этом положении они проходят мимо перегородки, не задевая ее при вращении ротора.

Для того, чтобы обеспечить осевое перемещение шиберов, в прорезях ротора предусмотрены средства, задающие осевое взаиморасположение шиберов, представляющие собой выполненную на внутренней поверхности корпуса канавку с профилированной поверхностью, в которую входят кромки шиберов. Эта канавка проходящая по линии, сходной с синусоидой, играет роль копира, задавая характер осевого перемещения шиберов в прорезях ротора при его вращении.

Недостаток машины согласно заявке Великобритании N 1469583 состоит в том, что она не допускает изменения объема рабочей камеры, которая ограничена, как указано выше, с одной стороны торцом неподвижного в осевом направлении ротора и с другой стороны - торцом корпуса. В связи с этим машина подобного типа может быть сконструирована так, чтобы работать с оптимальной эффективностью в определенных рабочих условиях. При изменении рабочих условий такая машина будет работать менее эффективно или даже неудовлетворительно.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание регулируемой роторной машины с возвратно-поступательным движением шиберов вдоль оси вращения ротора, что позволяет расширить функциональные возможности роторных машин с таким движением шиберов и избежать недостатков, присущих машинам с радиальным движением шиберов.

Поставленная задача решается тем, что роторная машина содержит корпус с впускным и выпускным отверстиями, установленный в корпусе ротор с размещенными в нем с возможностью движения вдоль его оси вращения по меньшей мере двумя шиберами, рабочую камеру, ограниченную в направлении вдоль оси вращения ротора его первым торцом, перегородку в рабочей камере, закрепленную на внутренней поверхности корпуса таким образом, что она разделяет впускное и выпускное отверстия и находится в скользящем контакте с вышеупомянутым торцом ротора, средства, задающие осевое взаиморасположение шиберов, и согласно изобретению снабжена регулировочным элементом, который закреплен внутри корпуса, напротив упомянутого торца ротора, с возможностью движения вдоль его оси вращения. Регулировочный элемент ограничивает рабочую камеру вдоль его оси вращения ротора с другой стороны и связан со средствами, задающими осевое взаиморасположение шиберов. Средства, задающие осевое взаиморасположение шиберов, установлены с возможностью изменения своего положения относительно ротора и кинематически связаны с регулировочным элементом, при этом шиберы установлены с возможностью изменения своего положения относительно ротора при перемещении регулировочного элемента, причем шиберы, находящиеся в рабочей камере в наиболее выдвинутом из ротора состоянии, находятся в скользящем контакте с торцом регулировочного элемента и отделяют впускное отверстие от выпускного отверстия. Под длиной осевого выдвижения шибера подразумевается расстояние от торца ротора до торца шибера, выдвинутого из ротора в рабочую камеру машины. В предлагаемой роторной машине изменение объема рабочей камеры осуществляется в результате изменения ее осевой длины при перемещении регулировочного элемента в ту или другую сторону относительно ротора.

Кроме того, для того, чтобы уравновесить нагрузку на второй торец ротора, находящегося напротив торца ротора, обращенного в рабочую камеру, и исключить влияние объема шиберов на равномерность подачи машины и ее производительность, машина может быть снабжена опорно-распределительным элементом, который закреплен внутри корпуса и контактирует с возможностью скольжения своим торцом со вторым торцом ротора. Причем в указанном торце опорно-распределительного элемента выполнены две не соприкасающиеся между собой полости, одна из которых соединена каналом с впускным отверстием, а другая соединена каналом с выпускным отверстием.

С целью уменьшения гидравлических потерь при возвратно-поступательном движении шиберов, для уменьшения их массы и с целью выравнивания силы давления, которая действует на торец шибера, обращенный в сторону рабочей камеры и противолежащий ему торец, в каждом шибере выполнено сквозное отверстие, начинающееся на торце шибера, который обращен в сторону рабочей камеры, и заканчивающееся на торце шибера, который противолежит этому торцу шибера.

С целью упрощения и повышения точности изготовления создания более хороших уплотнений в рабочей камере, шибера могут быть выполнены в виде цилиндров, ориентированных в роторе в осевом направлении, причем для улучшения условий смазки и более равномерного износа шибера могут быть установлены в роторе с возможностью вращения вокруг своей оси.

С целью уменьшения осевых вибраций ротора в нем могут быть выполнены сквозные каналы, соединяющие противолежащие торцы ротора, находящиеся между двумя соседними шиберами.

Подобно машинам других типов, данная машина может быть сконструирована многокамерной и иметь количество перегородок и регулировочных элементов больше одного, причем количество полостей, выполненных в торце опорно-распределительного элемента, соответствующим образом увеличивается.

На фиг.1 показан продольный разрез машины; на фиг.2 - развертка ротора и боковой цилиндрической поверхности машины.

Роторная машина ( фиг.1) содержит корпус 1, включающий корпусные крышки 2 и 3. В середине цилиндрической расточки корпуса 1 установлен насаженный на вал 4 ротор 5. В роторе 5 по всей его длине выполнены радиальные прорези 6, в которых размещены шибера 7, с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль его оси вращения. Машина может содержать два и большее количество шиберов 7. Машина содержит установленные внутри корпуса средства, задающие осевое взаиморасположение шиберов 7 в прорезях 6 ротора 5 и длину их максимального осевого выдвижения из ротора 5 в рабочую камеру.

В данном на чертежах варианте исполнения, средства выполнены в виде полого цилиндра 8, на внутренней цилиндрической поверхности которого выполнен замкнутый криволинейный паз 9. Этот полый цилиндр 8 насажен на ротор 5 с образованием скользящего контакта между внешней радиальной поверхностью ротора 5 и внутренней цилиндрической поверхностью полого цилиндра 8 и закреплен внутри корпуса так, что он может скользить по поверхности ротора 5 вдоль его оси вращения, не вращаясь при этом вместе с ним. Кроме того, каждый шибер 7 снабжен выступом 10, который входит в паз 9 полого цилиндра 8 и образует с ним скользящий контакт. Машина содержит закрепленную на внутренней поверхности корпуса перегородку 11, в частности она закреплена на корпусной крышке 2. Перегородка 11 прилегает к первому торцу ротора 5, обращенному к этой корпусной крышке 2, и валу 4 ротора 5, с образованием между ними скользящего контакта. Паз 9 выполнен таким образом, что шиберы 7, находящиеся напротив торца перегородки 11, которым она прилегает к первому торцу ротора 5, вдвинуты в ротор 5 на одинаковое расстояние, а часть шиберов 7, находящихся в удалении от перегородки 11, выдвинута из ротора 5 и контактирует с возможностью скольжения с торцом регулировочного элемента 12, отделяя при этом впускное отверстие от выпускного. Впускное и выпускное отверстия на чертеже не показаны, чтобы его не усложнять. Регулировочный элемент 12 установлен между корпусной крышкой 2 и первым торцом ротора 5 с возможностью движения вдоль оси вращения ротора 5. Регулировочный элемент 12 ограничивает осевую длину рабочей камеры. Под осевой длиной рабочей камеры подразумевается расстояние между торцом регулировочного элемента 12 и торцом ротора 5, которые обращены друг к другу.

В представленной на чертеже конструкции регулировочный элемент 12 выполнен в виде диска с центральным отверстием, сквозь которое проходит вал 4 ротора 5 и имеет вырез, через который проходит перегородка 11. Этот диск установлен так, что он может скользить по валу 4 вдоль его оси вращения, не вращаясь при этом вместе с ним. Регулировочный элемент 12, в частности диск с прорезью, крепится к торцу полого цилиндра 8 и может образовывать с ним единую деталь. К регулировочному элементу 12 прикреплена тяга 13, подвижная вдоль оси вращения ротора 5 и выходящая наружу корпуса.

Полость рабочей камеры ограничивается в направлении вдоль оси вращения ротора 5 первым торцом ротора 5 и торцом регулировочного элемента 12, который обращен в сторону этого первого торца ротора 5, а в радиальном направлении ограничивается радиальными средствами изоляции. Средства изоляции это все то, что препятствует вытеканию рабочего тела из рабочей камеры. В представленной на чертежах конструкции радиальные средства изоляции - это поверхность вала 4, поверхность перегородки 11 и внутренняя поверхность полого цилиндра 8.

На корпусной крышке 3 закреплен опорно-распределительный элемент 14. Он может образовывать с этой корпусной крышкой 3 единую деталь опорно-распределительный элемент 14 контактирует с возможностью скольжения своим торцом со вторым торцом ротора 5. Причем в этом торце опорно-распределительного элемента 14 выполнены две не соединяющихся между собой полости, одна из которых расположена напротив участка рабочей камеры, сообщающегося с впускным отверстием и соединена с ним каналом, а другая расположена напротив участка рабочей камеры, сообщающегося с выпускным отверстием и также соединена с ним каналом. Эти каналы на чертеже не показаны, чтобы не усложнять чертеж.

Кроме того, в роторе 5 выполнены сквозные каналы 15, соединяющие противолежащие торцы ротора 5, находящиеся между двумя соседними шиберами 7 (фиг.2).

Машина может работать в режиме насоса и режиме гидромотора. В качестве насоса машина работает следующим образом. Объем рабочей камеры задается установкой тяги 13 относительно корпусной крышки 2 и может при необходимости плавно меняться во время работы. При этом регулировочный элемент 12 занимает соответствующее положение относительно первого торца ротора 5 и ограничивает осевую длину рабочей камеры и, следовательно, ее объем. Связанный с регулировочным элементом 12 полый цилиндр 8, на внутренней поверхности которого выполнен криволинейный паз 9, в котором размещены выступы 10 шиберов 7, также соответствующим образом смещается и задает длину максимального выдвижения шиберов 7 в рабочую камеру. После запуска машины, при вращении ротора 5, выступы 10 шиберов 7 начинают скользить по криволинейному пазу 9 полого цилиндра 8 и совершать вдоль оси вращения ротора 5 возвратно-поступательное движение, которое передается шиберам 5. Причем паз 9 выполнен таким образом, что движение шиберов 7 за один оборот ротора 5 характеризуется следующим циклом. Шибер 7, находящийся напротив торца перегородки 11, вдвинут в ротор 5 и не движется вдоль его оси вращения. По мере удаления шибера 7 от перегородки 11, он начинает выдвигаться из прорези 6 в полость рабочей камеры и в какой-то момент коснется своим торцом торца регулировочного элемента 12. Далее шибер 7 скользит своим торцом по торцу регулировочного элемента 12 и не движется в осевом направлении. Затем по мере приближения к перегородке 11 он начинает плавно вдвигаться в прорезь 6 ротора 5 и к моменту прохождения через перегородку 11 вдвинут в ротор 5.

При скольжении по торцу регулировочного элемента 12 шибер 7 разделяет рабочую камеру на две полости, в одной из которых образуется зона низкого давления, а в другой образуется зона высокого давления, которые связаны соответственно с впускным и выпускным отверстиями машины. На чертеже впускное и выпускное отверстия не показаны, чтобы не усложнять чертеж.

Объем рабочего тела, заключенный между двумя соседними шиберами 7, которые скользят по торцу регулировочного элемента 12, переносится из зоны низкого в зону высокого давления. Сила давления, действующая со стороны рабочей камеры на первый торец ротора 5, компенсируется опорно-распределительным элементом 14, который контактирует своим торцом со вторым торцом ротора 5 и находится с ним в скользящем контакте. Две не соединяющихся между собой полости, которые выполнены в торце опорно-распределительного элемента 14, расположены одна напротив полости рабочей камеры с зоной низкого давления, а другая напротив полости с зоной высокого давления. Противолежащие полости рабочей камеры и опорно-распределительного элемента 14 соединены между собой каналом и образуют соответственно противолежащие зоны низкого и высокого давления, которые компенсируют осевую нагрузку на торец ротора 5. При вращении ротора 5, по мере удаления шибера 7 от перегородки 11 он вдвигается в полость рабочей камеры с зоной низкого давления и вносит в нее свой объем. Но с другой стороны, точно такой же объем рабочего тела заполнит прорезь 6, в которой размещен этот шибер 7 из противолежащей полости опорно-распределительного элемента 14, скользящий по второму торцу ротора 5, перекрывает прорезь 6, в которой находится данный шибер 7, в осевом направлении и отделяет ее от полостей, выполненных в торце опорно-распределительного элемента 14. По мере приближения шибера 7 к перегородке 11, шибер 7 начинает вдвигаться в ротор 5 и объем вытесняемого рабочего тела из полости рабочей камеры с зоной высокого давления уменьшается на величину части объема шибера 7, который вдвигается в ротор 5. Но точно такой же объем рабочего тела вытесняется в полость опорно-распределительного элемента 14, находящуюся напротив полости рабочей камеры с зоной высокого давления, так как прорезь 6, в которой находится данный шибер 7, соединяется с полостью опорно-распределительного элемента 14, которая соединена каналом с противолежащей полостью рабочей камеры с зоной высокого давления. Таким образом, компенсируется влияние объема шиберов 7 на производительность и равномерность подачи машины.

Аналогичным образом машина работает и с цилиндрическими шиберами.

В качестве гидромотора машина работает подобно другим типам обратимых насосов.

Роторная машина может быть использована в насосах и гидромоторах. Внутри корпуса напротив торца ротора закреплен с возможностью движения вдоль его оси вращения регулировочный элемент. Рабочую камеру ограничивают с одной стороны торец ротора, а с другой - регулировочный элемент. Средства, задающие осевое взаиморасположение шиберов, установлены с возможностью изменения своего положения относительно ротора и кинематически связаны с регулировочным элементом. При перемещении регулировочного элемента изменяется положение шиберов относительно ротора. Расширяются функциональные возможности шиберных насосов гидромоторов. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Роторная машина, содержащая корпус с впускным и выпускным отверстиями, средства изоляции, установленный в корпусе ротор с размещенными в нем с возможностью движения вдоль его оси вращения по меньшей мере двумя шиберами, рабочую камеру, ограниченную в направлении вдоль оси вращения ротора с одной стороны одним из его торцов, расположенную в рабочей камере перегородку, находящуюся в скользящем контакте с этим торцом ротора и разделяющую впускное и выпускное отверстие, средства, задающие осевое взаиморасположение шиберов и кинематически связанные с ними, отличающаяся тем, что внутри корпуса напротив упомянутого торца ротора закреплен с возможностью движения вдоль оси вращения регулировочный элемент, ограничивающий рабочую камеру с другой стороны, а средства, задающие осевое взаиморасположение шиберов, установлены с возможностью изменения своего положения относительно ротора и кинематически связаны с регулировочным элементом, при этом шиберы установлены с возможностью изменения своего положения относительно ротора при перемещении регулировочного элемента. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что внутри корпуса установлен опорно-распределительный элемент, торцом контактирующий с возможностью скольжения со вторым торцом ротора, причем в упомянутом торце опорно-распределительного элемента выполнены две не соединяющиеся между собой полости, одна из которых соединена каналом со входным отверстием, а другая соединена каналом с выходным отверстием. 3. Машина по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что участки противоположных торцов ротора, находящиеся между двумя соседними шиберами, соединены между собой каналами, выполненными в роторе. 4. Машина по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что шибера выполнены в виде цилиндров. 5. Машина по п.4, отличающаяся тем, что цилиндры размещены внутри ротора с возможностью вращения вокруг своей оси.