РОТОРНАЯ РАСШИРИТЕЛЬНАЯ МАШИНА Российский патент 1999 года по МПК F01C1/00 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, а более конкретно - к роторным расширительным машинам, используемым в паросиловых установках для привода, например, электрогенераторов.

Известна роторная расширительная машина, содержащая корпус с впускными и выпускными каналами, расположенные в расточках корпуса ведущий и ведомый роторы, регулируемая заслонка, размещенная во впускном окне, центробежный ограничитель скорости вращения, связанный непосредственно с регулируемой заслонкой, которая выполнена в виде набора пластин (см. авторское свидетельство СССР N 556220, 1977).

В данной машине сжатый воздух через впускной канал и регулируемую заслонку поступает в рабочую полость ведущего и ведомого роторов, расширяется, приводя их во вращение. Вращение от ведущего ротора через ряд шестерен передается грузикам центробежного регулятора. Грузики под действием возрастающих центробежных сил поворачиваются вокруг своих осей и воздействуют на заслонку, сжимая при этом пружину. Пакет пластин этой заслонки частично перекрывают доступ сжатого воздуха к роторам, уменьшая тем самым степень наполнения рабочих камер роторов.

При уменьшении скорости вращения роторов центробежная сила грузиков уменьшается, и пружина автоматически перемещает заслонку в сторону открытия дополнительных рабочих объемов для заполнения воздухом рабочих камер роторов.

Недостатком такой машины является скачкообразное изменение объема в ее рабочих полостях. Это приводит к резкому изменению частоты вращения самой машины, а также частоты вращения электрогенератора, связанного с последней.

Наиболее близким техническим решением к данной роторной расширительной машине по достигаемому результату и числу совпадающих признаков является роторная расширительная машина, содержащая корпус с входным и выходным каналами, размещенные внутри корпуса роторы, находящиеся в бесконтактном зацеплении и связанные при помощи синхронизирующих шестерен, подшипники и узлы уплотнения, установленные на валах роторов по обе стороны последних, причем первые установлены в масляной полости корпуса, а вторые - между этой полостью и внутренней роторной полостью корпуса, в которой осуществляется расширение рабочего тела, поступающего под давлением во входной канал, и маслонасос, кинематически связанный с одним из валов роторов и гидравлически связанный с масляной полостью корпуса (см. авторское свидетельство СССР N 1399484, МКИ F 01 C 1/16, 1988).

В данной машине сжатый воздух через впускной канал и заслонку поступает в рабочие полости роторов, где, расширяясь, приводит во вращение последние. Установленные на ведомом валу ротора маслонасосы всасывают масло из маслобака и масляной полости корпуса и направляют его затем к узлам трения и в управляемую полость сервопоршня, причем основной маслонасос связан непосредственно с этой полостью, а дополнительный - через обратный клапан. Поступающее в управляющую полость масло воздействует на сервопоршень, который через шток перемещает заслонку, которая частично перекрывает доступ сжатого воздуха в рабочие полости роторов. В зависимости от степени перекрытия изменяется скорость вращения валов.

Степень заполнения машины сжатым воздухом изменяется в зависимости от нагрузки на нее и, соответственно, от скорости вращения ведомого вала и, следовательно, от давления масла, нагнетаемого основным маслонасосом. В нагнетательной линии дополнительного маслонасоса посредством дросселя сформирована характеристика с более интенсивным ростом давления масла в зависимости от скорости вращения роторов и с большим значением давления, чем у основного маслонасоса. Это очень важно при сбросе нагрузки и на холостом ходу, когда резко увеличивается скорость вращения роторов. В этом случае в управляющей полости сервопоршня скачком повышается давление, и заслонка получает ускорение на уменьшение подвода сжатого воздуха в полости роторов.

Недостатком такой машины является то, что при работе на сжатом воздухе требуется выдерживать минимальные зазоры как между корпусом и роторами, так и между самими роторами с целью получения достаточно высокого объемного КПД, и кроме того, в данной машине в качестве роторов применяются винтовые роторы, которые достаточно сложны в изготовлении, и требуется достаточно сложная, специальная оснастка при сборке.

Задачей изобретения является упрощение конструкции роторов, расширение функциональных возможностей машины, недостаточно строгое выдерживание зазоров внутри роторной полости, а также упрощение сборки всей машины.

Указанная задача достигается тем, что в роторной расширительной машине, содержащей корпус с входным м выходным каналами, размещенные внутри корпуса роторы, находящиеся в бесконтактном зацеплении и связанные при помощи синхронизирующих шестерен, подшипники и узлы уплотнения, установленные на валах роторов по обе стороны последних, причем первые размещены в масляной полости корпуса, а вторые - между этой полостью и внутренней роторной полостью корпуса, в которой осуществляется расширение рабочего тела, поступающего под давлением из входного канала, и маслонасос, кинематически связанный с одним из валов роторов и гидравлически связанный с масляной полостью корпуса, в качестве роторов используют колеса Рутса, рабочим телом является водяной пар, роторы выполнены составными из отдельных пластин, плотно стянутых между собою, а корпус машины представляет собой роторный корпус и две крышки, установленные по разные стороны от последнего и выполненные одинаковыми по конструкции, при этом на крышках размещены подшипники и узлы уплотнения, причем в одной крышке установлены сдвоенные радиально-упорные подшипники, в другой - сдвоенные радиальные подшипники, а узлы уплотнения выполнены одинаковыми по конструкции.

Перечисленные выше новые признаки в данной роторной расширительной машине являются существенными, так как они достаточны для того, чтобы отличить данную машину от всех известных роторных расширительных машин, и при наличии этих признаков добиваемся получения положительного эффекта, а именно, упрощение конструкции и сборки этой машины.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение данной машины; на фиг.2 - ее продольное сечение.

Машина содержит корпус с входным каналом 1 и выходным каналом 2, при этом корпус состоит из роторного корпуса 3 и двух крышек 4 и 5, роторы 6 и 7, находящиеся в бесконтактном зацеплении и связанные при помощи синхронизирующих шестерен 8 и 9, подшипники, выполненные в виде сдвоенных радиально-упорных подшипников 10 и сдвоенных радиальных подшипников 11, узлы 12 уплотнения, которые установлены на валах 13 и 14 роторов 6 и 7 по обе стороны последних, причем подшипники 10 и 11 установлены в масляной полости 15, а узлы 12 уплотнения - между полостью 15 и внутренней роторной полостью 16, в которой осуществляется расширение рабочего тела, например, водяного пара, поступающего под давлением через канал 1, маслонасос 17, связанный с валом 14 и через канал 18 с масляной полостью 15.

В качестве роторов в данной машине используются колеса Рутса, которые выполнены составными из отдельных пластин 19, плотно стянутых между собой. Крышки 4 и 5 изготовлены одинаковой конструкции, при этом в крышке 4 установлены подшипники 10, а в крышке 5 - подшипники 11, и, кроме того, в них размещены узлы 12 уплотнения, которые выполнены одинаковыми по конструкции и в них входят лабиринтное уплотнение 20, манжетные уплотнения 21 и самоустанавливающееся кольцо 22, размещенное между ними.

Маслонасос 17 через канал 23 соединен с маслобаком 24, в который сливается масло из полостей 15 машины. Через канал 25 осуществляется отвод масла и конденсата в дренажную систему (на чертеже не указана), а через канал 26 - отвод пара к эжектору после лабиринтного уплотнения, а затем в систему утилизации пара (на чертеже не указана).

Машина также содержит датчик 27, предназначенный для преобразования скорости вращения вала 13 в частоту электрических импульсов, выдаваемых в автоматическую систему управления подачей пара в машину. Лапы 28 служат для крепления машины к фундаменту, а серьги 29 - для ее транспортировки.

Машина работает следующим образом.

Во входной канал 1 под давлением подводится перегретый водяной пар, определенная порция которого затем поступает в полость 30. Под действием перепада давлений на лопасти ротора 6, последний поворачивается, отсекая при этом эту порцию от канала 1. Одновременно поворачивается ротор 7, который связан с ротором 6 при помощи синхронизирующих шестерен 8 и 9. В полости 30 происходит расширение пара с падением давления и температуры, в результате чего он переходит во влажное состояние с выделением конденсата. Центробежными силами часть конденсата отбрасывается к периферии и заполняется зазор между корпусом 3 и ротором 6. Потери пара через этот зазор уменьшаются, и КПД роторной машины увеличивается по сравнению с роторной машиной, работающей на сжатом воздухе. После расширения этой порции пара, она поступает в выходной канал 2 и затем выталкивается из роторной машины. На смену этой порции пара из канала 1 поступает другая порция, и все повторяется вновь.

Следует отметить, что часть конденсата поступает в торцевые зазоры, образованные торцами роторов 6 и 7 и крышками 4 и 5. Давление в этих зазорах еще достаточно высокое, чтобы проникнуть сначала в лабиринтное уплотнение 20, а затем через одну из манжет 21 в полость, связанную через канал 25 с дренажной полостью машины. Причем перед манжетой 21 размещена полость, связанная через канал 26 с системой утилизации пара. Это позволяет значительно снизить давление рабочей жидкости, которая через манжету 21 поступает в дренажную полость. Благодаря таким узлам 12 уплотнения, а их в роторной машине по два в каждой крышке, обеспечивается хорошее дренирование пара со стороны роторной полости 16 и дренирование масла со стороны масляной полости 15, что позволяет исключить взаимное проникновение пара в масляную систему и масла в роторную полость.

В данной машине маслонасос 17 подает масло в масляную полость 15 как для охлаждения деталей машины, так и для смазки подшипников 10, 11, которые размещены по обе стороны роторов 6 и 7, а также для смазки синхронизирующих шестерен 8 и 9. Отработанное и нагретое масло из полостей 15 поступает в маслобак 24, где оно частично охлаждается, и затем вновь поступает к маслонасосу 17. Давление масла за этим насосом в данной роторной машине может быть использовано как опорное давление в системах регулирования частоты вращения этой машины. Причем датчик 27 преобразует скорость вращения вала 13 в частоту электронных импульсов, которые направляются в электронный блок регулирования для сравнения с заданной частотой вращения машины.

В данной конструкции машины в качестве роторов 6 и 7 применяют колеса Рутса, которые по отношению друг к другу находятся в бесконтактном зацеплении за счет синхронизирующих шестерен 8 и 9. Колеса Рутса более просты в изготовлении по сравнению, например, с винтовыми роторами, и, кроме того, их сборка в корпусе также более проста по сравнению с последними.

Роторы 6 и 7 в данной машине составлены из отдельных пластин 19, которые изготавливаются отдельно друг от друга, а затем собираются и плотно прижимаются друг к другу. Это улучшает технологичность при изготовлении роторов большой линейной протяженности.

Крышки 4 и 5 по конструкции одинаковы, так как на них установлены одинаковые по диаметру валы 13 и 14, одинаковы по конструкции узлы 12 уплотнения, которые также устанавливаются в этих крышках. Подшипники 10 и 11 также одинаковы по размерам, но разные по назначению, причем первые воспринимают осевые нагрузки, а вторые - радиальные нагрузки. Однотипность этих крышек значительно упрощает их изготовление, а затем и их сборку.

Таким образом, данная роторная машина получается более простой в изготовлении и сборке по сравнению с роторной машиной, где в качестве роторов используются винтовые роторы, и, кроме того, работа на водяном паре позволяет расширить функциональные возможности машины, в результате чего несколько повышается КПД по сравнению с работой на сжатом воздухе.

Роторная расширительная машина может быть использована в области энергетического машиностроения. В качестве рабочего тела в роторной расширительной машине используется водяной пар, который подводится через входной канал к роторам, выполненным в виде колес Рутса. Роторы делают составными из нескольких пластин, которые при сборке плотно прижимают друг к другу. Корпус роторной машины состоит из роторного корпуса и двух крышек, выполненных одинаковыми по конструкции. Расширяются функциональные возможности машины, упрощается конструкция роторов и сборка всей машины. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Роторная расширительная машина, содержащая корпус с входным и выходным каналами, размещенные внутри корпуса роторы, находящиеся в бесконтактном зацеплении и связанные при помощи синхронизирующих шестерен, подшипники и узлы уплотнения, установленные на валах роторов по обе стороны последних, причем первые установлены в масляной полости корпуса, а вторые - между этой полостью и внутренней роторной полостью корпуса, в которой осуществляется расширение рабочего тела, поступающего под давлением во входной канал, и маслонасос, кинематически связанный с одним из валов роторов и гидравлически связанный с масляной полостью корпуса, отличающаяся тем, что в качестве роторов используют колеса Рутса, рабочим телом является водяной пар, роторы выполнены составными из отдельных пластин, плотно стянутых между собой, а корпус машины представляет собой роторный корпус и две крышки, установленные по разные стороны от последнего и выполненные одинаковыми по конструкции. 2. Роторная расширительная машина по п.1, отличающаяся тем, что в каждой крышке размещены подшипники и узлы уплотнения. 3. Роторная расширительная машина по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в одной из крышек установлены сдвоенные радиально-упорные подшипники и в другой - сдвоенные радиальные подшипники, а узлы уплотнения выполнены одинаковыми по конструкции.