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 грузиком 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 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 маcлонасосом. 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 работы такой машины является то, что, во-первых, при переходе на другой вид рабочего тела, например на водяной пар, надежность работы машины снижается. Это связано с тем, что водяной пар при расширении частично конденсируется с образованием воды, которая может проникнуть в масляную систему корпуса машины, в результате чего маслонасосы будут работать на водомасляной смеси. Как показала практика, при работе на такой рабочей жидкости меняется настройка регулировки, что вызывает необходимость постоянного контроля работы регулятора и его периодической подстройки. Во-вторых, соприкосновение горячего пара с масляной системой машины приводит к тому, что масло сильно нагревается и, следовательно, надежность работы подшипников и синхронизирующих шестерен падает. В-третьих, технология изготовления и сборки винтовых роторов достаточно сложная и требует дорогой и специальной оснастки.

Задачей изобретения является повышение надежности работы машины и снижение затрат на ее изготовление и сборку.

Указанная задача достигается тем, что в роторной расширительной машине, содержащей 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, механически связанный с одним из валов роторов и гидравлически связанный с масляной полостью корпуса, в качестве роторов использованы колеса Рутса, а рабочим телом является водяной пар, причем каждый узел уплотнения выполнен из трех и более уплотнительных элементов, образующих между собой полости, при этом те полости, которые размещены ближе к роторной полости корпуса, связаны с выходным каналом, а те полости, которые ближе расположены к масляной полости, - с дренажем. Масляная полость выполнена из левой и правой масляных полостей, которые связаны друг с другом, причем правая полость соединена с масляным насосом.

Перечисленные выше новые признаки в данной роторной расширительной машине являются существенными, так как они достаточны для того, чтобы данную машину отличить от всех аналогичных роторных расширительных машин и при наличии указанных признаков добивается получение положительного эффекта, а именно повышение надежности работы и снижение затрат на изготовление, сборку и регулировку этой машины.

За счет усовершенствования системы уплотнения между масляной полостью и роторной полостью машины мы получаем надежный сброс в дренаж пара и воды, которые будут проникать через уплотнения, и в масляную систему не будет проникать вода. Одновременно система уплотнений позволяет защитить роторную полость машины от попадания в нее масла. Маслонасос в этом случае будет подавать в систему регулирования чистое масло, и она будет работать с постоянной настройкой и не будет необходимости ее постоянного контроля.

Кроме того, применяя колеса Рутса, мы получаем возможность при их изготовлении использовать более простую технологию, при этом упрощается их сборка и регулировка.

Использование двух полостей в масляной полости корпуса позволяет между последними установить специальный трубопровод, в котором при необходимости можно обеспечить охлаждение масла.

На фиг. 1 представлено конструктивное выполнение данной роторной расширительной машины, на фиг. 2 -вид на разрез по А-А, на фиг. 3 - вид на разрез по Б-Б.

Роторная расширительная машина содержит корпус 1 с входным каналом 2 и выходным каналом 3, роторы 4 и 5, размещенные внутри корпуса 1, находящиеся в бесконтактном зацеплении и связанные при помощи синхронизирующих шестерен 6 и 7, подшипники 8 и узлы 9 уплотнения, установленные на валах 10 и 11 роторов 4 и 5 по обе стороны последних, причем первые установлены в масляной полости 12 корпуса 1, а вторые - между полостью 12 и внутренней роторной полостью 13 корпуса, маслонасос 14, кинематически связанный с валом 11 и гидравлически связанный с масляной полостью 12. Каждый узел 9 уплотнения выполнен по крайней мере из 3-х уплотнительных элементов 15, 16 и 17, образующих между собой полости 18 и 19, причем полости 18 соединены с выходным каналом 3, а полость 19 через канал 20 - с дренажом. Штуцеры 23 и 24 служат для подвода масла в полость 12 и отвода масла из маслонасоса 14. В качестве роторов использованы колеса Рутса.

Машина работает следующим образом.

Во входной канал 2 подается под давлением перегретый водяной пар. Порция пара затем поступает в полость 21. Под действием перепада давлений ротор 4 поворачивается по часовой стрелке, отсекая эту порцию от канала 2. Одновременно поворачивается и ротор 5, который связан с ротором 4 при помощи синхронизирующих шестерен 6 и 7. В полости 21 происходит расширение с падением давления и температуры. Пар из перегретого состояния переходит во влажное состояние с выделением конденсата. Центробежными силами часть конденсата отбрасывается к периферии и заполняет зазор между корпусом 1 и ротором 4. Потери пара через зазор уменьшаются и КПД роторной машины увеличивается по сравнению с работой машины на сжатом воздухе.

Часть конденсата поступает в торцевые зазоры, образованные торцами роторов и корпуса. Давление в этих зазорах значительно выше, чем в выходном канале 2, следовательно, при подходе конденсата к уплотнительным элементам 17, не обладающим абсолютной герметичностью, на последних возникает перепад, под действием которого часть конденсата и пара может перейти в полость 18, но с пониженным давлением, равным давлению в канале 2. На уплотнительных элементах 16 действует другой перепад, под действием которого часть конденсата может перетечь в полость 19, откуда по каналу 20 он поступает в дренаж.

На уплотнительном элементе 15 существует также определенный перепад давлений между давлением масла, поступающего из маслонасоса 14 в масляную полость 12, и дренажом. Под действием этого перепада часть масла может перетечь в полость 19 и далее в дренаж. Таким образом, предотвращается как переток конденсата в масляную полость 12, так и масла в полость 18.

В данной машине маслонасос 14 подает масло в масляную полость 12 как для отвода тепла, так и для смазки подшипников 8, которые размещены по обе стороны роторов 4 и 5, а также для смазки синхронизирующих шестерен 6 и 7. Трубка 22 служит для сообщения между собой левой и правой масляных полостей 12. Отработанное и нагретое масло отводится из правой масляной полости 12 маслонасосом 14. После этого масло под высоким давлением направляется через штуцер 24 к штуцеру 23 по специальному трубопроводу, в котором при необходимости может быть обеспечено его охлаждение. Давление масла за маслонасосом 14 может быть использовано как опорное для регулирования частоты вращения этой машины. В этом случае наличие конденсата в масле может оказаться на точности поддержания частоты вращения и на надежности работы системы регулирования. В нашей машине масляная система имеет надежную защиту от проникновения конденсата, и, следовательно, точность поддержания и надежность работы системы регулирования повышается.

С целью понижения частоты вращения выходного вала машины в нашей конструкции предусмотрен редуктор, обеспечивающий ту частоту вращения, которая необходима для работы электрогенератора, связанного с данной машиной.

Использование в данной машине колес Рутса позволяет ее сделать более дешевой по той причине, что эти колеса изготавливаются по более простой технологии, чем винтовые ротора, причем сборка машины более простая и не требует значительных затрат.

Роторная расширительная машина может быть использована в области энергетического машиностроения. В качестве роторов используются колеса Рутса. Каждый узел уплотнения выполнен по крайней мере из трех уплотнительных элементов, образующих между собой две полости, причем первая полость связана с выходным каналом, а вторая - через канал с дренажом. Такое выполнение исключает попадание конденсата в масляную полость корпуса и масла из этой полости в роторную полость машины. Повышается надежность работы машины и снижение затрат на изготовление ее и сборку. 1 з.п.ф-лы, 3 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 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 использованы колеса Рутса, а рабочим телом является водяной пар, причем каждый узел уплотнения выполнен из трех и более уплотнительных элементов, образующих между собой полости, при этом те полости, которые размещены ближе к роторной полости корпуса, связаны с выходным каналом, а те полости, которые ближе расположены к масляной полости, - с дренажом. 2. Машина по п.2, отличающаяся тем, что масляная полость корпуса выполнена из левой и правой масляных полостей, которые связаны друг с другом, причем первая полость соединена с масляным насосом.