РОТОРНАЯ ОБЪЕМНАЯ МАШИНА Российский патент 1999 года по МПК F04C2/18 

Изобретение относится к области машиностроения и, в частности, к роторным машинам, преимущественно компрессорам и насосам, но может быть использовано и в двигателях внутреннего сгорания.

Известна роторная объемная машина, содержащая корпус, размещенные в нем ведущий ротор с зубьями и пазами и ведомый ротор с впадинами и выступами, синхронизирующие шестерни, закрепленные на валах роторов, а также впускные и выпускные отверстия (Авторское свидетельство SU N 513160, Мкл 6 F 04 C 18/14, F 01 C 1/14, 1976).

Наиболее близкой к заявленной машине является роторная объемная машина, содержащая корпус, впускной и выпускной патрубки, размещенные в корпусе ведущий и ведомые роторы с идентичными зубьями, синхронизирующие шестерни, закрепленные на валах роторов. Боковой профиль головки каждого зуба представляет собой кривую, которая близка к эпициклоиде, описываемой точкой на окружности основания при зацеплении зуба с сопряженным ротором. Боковой профиль ножки представляет собой кривую, описываемую вершиной зуба (патент FR N 2394670, Мкл 6 F 01 C 1/08, 1979). Недостатком данной машины является то, что она достаточно сложна по конструкции, в ней возможны пульсации давления.

Задачей изобретения является повышение КПД роторной объемной машины, устранение пульсации давления, упрощение конструкции, появляется возможность разделения воздуха (эффект Ранка) внутри машины.

Указанная задача решается за счет того, что в роторной объемной машине, содержащей корпус, впускной и выпускной патрубки, размещенные в корпусе ведущий и ведомый роторы с идентичными зубьями, синхронизирующие шестерни, закрепленные на валах роторов, поверхность зубьев ведущего и ведомого роторов состоит из четырех поверхностей, которые параметрически выполнены относительно прямоугольной системы координат в следующих зависимостях:
Участок AB - эпициклоида
X(f1) = 2Rcos(f1 + p1) - Rcos(2f1 + p1)
Y(f1) = 2Rsin(f1 + p1) - Rsin(2f1 + p1)
где R - радиус тела ротора, проведенный из центра вращения
f1 - параметр эпициклоиды с интервалом 0 < f1 < z1
p1 - угол смещения эпициклоиды относительно осей координат
z1 - максимальный угол эпициклоиды
Участок BC - окружность
X(f2) = rsinf2
Y(f2) = rcosf2 + R
где r - радиус, образующий окружность, на которой находятся экстремальные точки всех четырех поверхностей, проведенный из точки, образованной пересечением окружности тела ротора и прямой, проведенной из центра вращения в вершину зуба
f2 - параметр сегмента окружности с интервалом 0 < f2 < z2
z2 - максимальный угол сегмента окружности
Участок CD - удлиненная эпициклоида
X(f3) = -2Rsinf3 + (R+r)sin2f3
Y(f3) = 2Rcosf3 - (R+r)cos2f3
где f3 - параметр удлиненной эпициклоиды с интервалом 0 < f3 < z3
z3 - максимальный угол удлиненной эпициклоиды
Участок DE - окружность
X(f4) = -rsinf4
Y(f4) = -rcosf4 + R
где f4 - параметр сегмента окружности с интервалом 0 < f4 <z4
z4 - максимальный угол сегмента окружности
Также машина может быть снабжена газораспределительной втулкой с изменяемым перепускным отверстием, установленной в теле ведомого ротора, в котором выполнены тангенциальные перепускные отверстия, сообщающиеся через перепускное отверстие втулки с выпускным отверстием газораспределительной втулки.

На фиг. 1 - изображена роторная объемная машина, продольный разрез;
На фиг. 2 - разрез A-A на фиг.1;
На фиг. 3 - ведомый (ведущий) ротор на разрезе A - A фиг.1
Корпус роторной объемной машины состоит из одного центрального корпуса 1, камеры 2 с рабочей полостью 3. Камера 2 отделена от полости синхронизирующей передачи 4 внутренней перегородкой 5, в расточках которой установлены опоры 6, 7. В гнездах опор 6, 7 установлены подшипники 8, 9, в которых вращаются ведущий вал 10 и ведомый вал 11, связанные синхронизирующей зубчатой передачей 12. На концах валов, входящих в камеры, закреплены ведущий 13 и ведомый 14 роторы (может быть цельное неразъемное исполнение вал-ротор). Ведущие и ведомые роторы имеют идентичные зубья, которые состоят из четырех расчетных профилей в параметрическом виде относительно прямоугольной системы координат, имеющих следующий вид:
Участок AB - эпициклоида
X(f1) = 2Rcos(f1 + p1) - Rcos(2f1 + p1)
Y(f1) = 2Rsin(f1 + p1) - Rsin(2f1 + p1)
где R - радиус тела ротора? проведенный из центра вращения
f1 - параметр эпициклоиды с интервалом 0 < f1 < z1
p1 - угол смещения эпициклоиды относительно осей координат
z1 - максимальный угол эпициклоиды
Участок BC - окружность
X(f2) = rsinf2
Y(f2) = rcosf2 + R
где r - радиус, образующий окружность, на которой находятся экстремальные точки всех четырех поверхностей, проведенный из точки, образованной пересечением окружности тела ротора и прямой, проведенной из центра вращения в вершину зуба
f2 - параметр сегмента окружности с интервалом 0 < f2 < z2
z2 - максимальный угол сегмента окружности
Участок CD - удлиненная эпициклоида
X(f3) = -2Rsinf3 + (R+r)sin2f3
Y(f3) = 2Rcosf3 - (R+r)cos2f3
где f3 - параметр удлиненной эпициклоиды с интервалом 0 < f3 < z3
z3 - максимальный угол удлиненной эпициклоиды
Участок DE - окружность
X(f4) = -rsinf4
Y(f4) = -rcosf4 + R
где f4 - параметр сегмента окружности с интервалом 0 < f4 < z4
z4 - максимальный угол сегмента окружности
Профили зубьев выполнены по эмпирической зависимости, полученной теоретическим путем и проверенной экспериментально. Такая форма зубьев роторов обеспечивает плавность вращения роторов и увеличивает производительность роторной объемной машины, надежность и неограниченную износостойкость, так как между роторами нет механического контакта.

С наружной стороны камера закрывается крышкой 15, в которой находятся опорные подшипники 16, 17. В них вращаются ведущие и ведомые валы 10, 11. С целью регулирования потока из камеры в крышке 15 и теле ведомого ротора 14 размещена газораспределительная втулка 18, перепускное отверстие которой 24 можно менять, меняя на другую втулку с большим или меньшим перепускным отверстием 24, изменяя таким образом расходную характеристику роторной объемной машины. В теле ведомого ротора 14 находится подшипник 19, который является опорой газораспределительной втулки 18.

В теле ведомого ротора 14 выполнены тангенциальные перепускные отверстия 20, сообщающиеся с перепускным отверстием 24 газораспределительной втулки 18. Перепускные отверстия 20, 24 выполнены под углом b относительно прямоугольной системы координат.

Полость синхронизирующей передачи 4 закрыта с наружной стороны крышкой 21, в которой находятся опорные подшипники 22, 23. В них вращаются ведущий и ведомый валы 10, 11. Кроме этого, в корпусе 1 выполнены выпускной 25 и впускной 26 патрубки.

Роторы машины могут быть сделаны разборными и неразборными, зубья роторов могут быть как монолитными с телом ротора, так и вставными. Количество зубьев ротора определяется требуемыми расходными характеристиками машины. Для уменьшения зазоров между роторами 13, 14, корпусом 1, крышкой 15 допускается напыление антифрикционными материалами. При использовании роторной объемной машины в качестве компрессора возможно как одноступенчатое, так и многоступенчатое исполнение.

Роторная объемная машина в качестве компрессора работает следующим образом. Атмосферный воздух подается через впускной патрубок 26 в рабочую полость 3 камеры 2, где происходит его сжатие с последующей подачей через газораспределительную втулку 18 на выпускной патрубок 25.

В роторной объемной машине применен тангенциальный выпуск, который улучшает расходные характеристики машины и позволяет производить разделение воздуха на горячий и холодные потоки внутри машины, если это нужно по производственным или технологическим соображениям.

Роторная объемная машина может быть использована в качестве компрессора, насоса или двигателя внутреннего сгорания. Поверхность зубьев ведущего и ведомого роторов состоит из четырех поверхностей, которые параметрически выполнены относительно прямоугольной системы координат в следующих зависимостях: эпициклоиды, окружности, удлиненной эпициклоиды и окружности. Повышается КПД, устраняются пульсации давления, упрощается конструкция, появляется возможность разделения воздуха внутри машины. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Роторная объемная машина, содержащая корпус, впускной и выпускной патрубки, размещенные в корпусе ведущий и ведомый роторы с идентичными зубьями, синхронизирующие шестерни, закрепленные на валах роторов, отличающаяся тем, что поверхность зубьев ведущего и ведомого роторов состоит из четырех поверхностей, которые параметрически выполнены относительно прямоугольной системы координат в следующих зависимостях
Эпициклоиды
X(f1) = 2Rcos(f1+ p1) - Rcos(2f1 + p1),
Y(f1) = 2Rsin(f1 + p1) - Rsin(2f1 + p1),
где R - радиус тела ротора, проведенный из центра вращения; f1 - параметр эпициклоиды с интервалом 0 < f1 < z1; p1 - угол смещения эпициклоиды относительно осей координат; z1 - максимальный угол эпициклоиды,
Окружности
X(f2) = rsinf2,
Y(f2) = rcosf2 + R,
где r - радиус, образующий окружность, на которой находятся экстремальные точки всех четырех поверхностей, проведенный из точки, образованной пересечением окружности тела ротора и прямой, проведенной из центра вращения в вершину зуба; f2 - параметр сегмента окружности с интервалом 0 < f2 < z2; z2 - максимальный угол сегмента окружности, Удлиненной эпициклоиды
X(f3) = -2Rsinf3 + (R + r)sin2f3,
Y(f3) = 2Rcosf3 - (R + r)cos2f3,
где f3 - параметр удлиненной эпициклоиды с интервалом 0 < f3 < z3; z3 - максимальный угол удлиненной эпициклоиды,
Окружности
X(f4) = -rsinf4,
Y(f4) = -rcosf4 + R,
где f4 - параметр сегмента окружности с интервалом 0 < f4 < z4; z4 - максимальный угол сегмента окружности. 2. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена газораспределительной втулкой с изменяемым перепускным отверстием, установленной в теле ведомого ротора, в котором выполнены тангенциальные перепускные отверстия, сообщающиеся через перепускное отверстие газораспределительной втулки с выпускным отверстием газораспределительной втулки. 3. Машина по п.2, отличающаяся тем, что изменение перепускного отверстия газораспределительной втулки достигается заменой ее на другую втулку с большим или меньшим перепускным отверстием.