ВИНТОВОЙ КОМПРЕССОР Российский патент 1999 года по МПК F04C18/16 

Изобретение относится к области компрессоростроения.

Ближайшим аналогом изобретения является винтовой компрессор, широко эксплуатирующийся в настоящее время. Он имеет винтовые части роторов с выпуклыми зубьями для ведущего ротора и вогнутыми впадинами для ведомого ротора. Число зубьев ведущего ротора - четыре, а ведомого - шесть. Профили резьбы в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, - сложные, асимметричные, угол закрутки - 270 - 310 градусов.

(Амосов П. Е. и др. , Винтовые компрессорные машины, Справочник Машиностроение, Ленинград, 1977, с. 67 - 68).

Характер зацепления винтовых частей роторов аналога состоит в том, что во впадинах одной винтовой части находятся зубья другой винтовой части. При этом впадины обеих винтовых частей объединяются в общую полость при сжатии и нагнетании и отделяются линией зацепления от тех частей впадин, которые находятся на стороне всасывания. Объединенная полость оказывается замкнутой стенками расточки корпуса и стенкой крышки нагнетательного патрубка, а также линией зацепления между зубом и впадиной.

Способ сжатия газа в аналоге такой же, как и у поршневого компрессора, т. е. подвижный поршень при своем движении к неподвижной стенке сжимает газ, находящийся между ними.

Недостатки ближайшего аналога: 1) сложный профиль зубьев, 2) при четырех зубьях относительный объем парных полостей - небольшой, что ухудшает объемную производительность компрессора, 3) большая скорость нарастания давления, так как угол закрутки 270 - 310 градусов, и, как следствие, значительная шумность работы компрессора, 4) наличие окон всасывания и нагнетания, 5) на один ротор с вогнутыми впадинами приходится один ротор с выпуклыми зубьями.

Техническая задача заключается в устранении указанных недостатков и решается тем, что винтовой компрессор, содержащий корпус с расточками, роторы с винтовыми частями, образованные выступающими витками и винтовыми канавками, расположенными в расточках корпуса и находящимися в зацеплении, камеры всасывания и нагнетания, синхронизирующие шестерни, резьба винтовой части ротора с выступающими витками выполнена однозаходной или двухзаходной и состоит из формирующих и сжимающих витков, число которых соответственно равно 2 и i, где а ε_доп - геометрическая степень сжатия компрессора и ε_об - допустимая геометрическая степень сжатия в одной межвитковой полости, причем угол наклона формирующих витков непрерывно уменьшается, а угол наклона сжимающих витков непрерывно увеличивается по ходу резьбы в сторону нагнетания, а толщина витков по среднему диаметру постоянна и не превышает 0,2L, где L - величина шага первых двух витков резьбы, являющихся формирующими, при этом число роторов с выступающими витками на один ротор с винтовыми канавками равно от одного до четырех включительно, а сами роторы уравновешены и имеют по две отдельные друг от друга винтовые части, находящиеся в противофазе, на каждом роторе.

В частном случае для решения технической задачи используется конструкция компрессора, у которого винтовая часть ротора с винтовыми канавками имеет наружный диаметр больше наружного диаметра винтовой части ротора с выступающими витками, а уравновешенные роторы выполнены сборными с полой винтовой частью, внутри которой выполнены винтовые канавки и/или наступающие витки, а в случае невозможности выполнения роторов сборными они выполняются с использованием двухзаходной резьбы или с винтовыми противовесами, размещенными вне их винтовых частей.

Возможность осуществления зацепления винтовых частей роторов с постоянно меняющимся углом наклона винтовых линий и образующей цилиндра по ходу резьбы, т. е. возможность осуществления изобретения, показывается ниже на примере геометрического построения такого зацепления и использования теории зацепления и ее основного закона.

На фиг. 1 показана конструкция винтовой части ротора, на фиг. 2 - конструкция винтового компрессора, на фиг. 3 - шлицевое соединение для осуществления углового смещения винтовой части относительно ротора, на фиг. 4 - зацепление винтовых частей роторов с постоянно меняющимся шагом.

Конструкция винтовых частей в зацеплении приведена на фиг. 1. Она включает в себя ротор 1 с винтовой частью в виде выступающих витков. Ротор 1 и ротор 2 аналогичны ротору с вогнутыми впадинами и ротору с выпуклыми зубьями в прототипе. Ротор 1 и ротор 2 находятся в зацеплении друг с другом своими винтовыми частями в цилиндрических расточках корпуса 3. Винтовые части выполнены однозаходной или многозаходной, например, двухзаходной резьбой. Резьбы выполнены с меняющимся углом наклона винтовой линии к образующей цилиндра по ходу резьбы. Предпочтение отдается однозаходной резьбе, при которой производительность компрессора - наибольшая. На фиг. 1 винтовая часть ротора с выступающими витками выполнена однозаходной резьбой и состоит из витков, первые два из которых называются формирующими замкнутую полость на всасывании, а остальные витки - сжимающими газ в замкнутых полостях. Полость между двух витков на всасывании, как и любая полость между другими любыми двумя витками ротора 2, оказывается замкнутой благодаря зацеплению витков с винтовыми канавками ротора 1 и окружающим ее поверхностям цилиндрической расточки корпуса и цилиндрической поверхности винтовой части ротора 1 в пределах этих двух витков.

Формирующие витки имеют непрерывно слабо уменьшающийся угол наклона винтовой линии к образующей цилиндра по ходу резьбы. Такое изменение угла наклона связано с тем, что при формировании замкнутой полости на всасывании оно учитывает обратное перетекание газа и нагрев поступающего при всасывании газа от поверхностей винтовых частей и от перетекаемого газа, которые приводят к увеличению объема всасываемого газа, и предотвращает тем самым влияние обратного потока газа на равномерность поступления всасываемого газа в винтовую часть роторов и уменьшает шум. Изменение угла наклона формирующих витков находится из условия:
V_п = V₀(1+λ), (1)
где V_п - объем замкнутой полости на всасывании с изменяемым углом наклона винтовой линии формирующих витков:
V₀ - объем замкнутой полости на всасывании без учета перетечек и подогрева газа, определяемый как объем замкнутой полости между двух витков с постоянным углом наклона их винтовой линии;
λ - коэффициент, учитывающий перетекание в формируемую полость и подогрев газа.

Число сжимающих витков i определяется отношением:

где ε_об - геометрическая степень сжатия компрессора, равная отношению объема замкнутой полости на всасывании в момент ее образования к объему замкнутой полости в момент начала нагнетания;
ε_доп - допустимая геометрическая степень сжатия витками в одной межвитковой полости, равная, как это следует из формулы 2, относительному изменению объема замкнутой полости за 1 оборот ротора, которая также определяет скорость нарастания давления. Общее число витков винтовой части равно z=2+i. По аналогии с поршневым компрессором число i равно числу ступеней сжатия в неохлаждаемом поршневом компрессоре.

Угол наклона винтовой линии сжимающих витков непрерывно увеличивается по ходу резьбы к камере нагнетания. Средняя толщина витков по высоте и на всем протяжении резьбы постоянна и выбирается из соотношения:
δ ≤ 0,2L, (3)
где L - шаг, образованный двумя формирующими витками в положении их зацепления с винтовой канавкой.

Наиболее технологично винтовая часть ротора 2 образуется кольцами, разрезанными по радиусу, растянутыми на нужный шаг, сваренными между собой и приваренными к наружной поверхности цилиндра, сажаемого на ротор.

Относительная высота зуба выступающего витка равна отношению разности радиусов наружной и внутренней окружности винтовой части к радиусу наружной окружности и не превышает 0,5.

Ротор 1 имеет винтовую часть с винтовыми канавками, являющимися ответной резьбой резьбе винтовой части ротора 2 с выступающими витками. В различных вариантах изготовления винтового компрессора он находится в зацеплении с одним, двумя, тремя и четырьмя роторами 2 с винтовой частью с выступающими витками. При этом их наружные и внутренние диаметры резьбы одинаковые. Если наружные и внутренние диаметры резьбы винтовой части ротора 1 с винтовыми канавками больше, чем у резьбы винтовых частей ротора 2, то максимальное число роторов 2 на один ротор 1 более четырех.

Характер зацепления рассмотренных винтовых частей отличается от характера зацепления их в прототипе. Отличие состоит в том, что все образуемые полости при зацеплении рассматриваемых винтовых частей остаются изолированными друг от друга от момента их образования на всасывании до момента их соединения с полостью нагнетания. Таких полостей четыре. Две из них образуются при нахождении зуба витка в винтовой канавке, которая делится этим зубом на полости, смежные друг другу. Две смежные полости образует сам выступающий виток, являясь разделяющим эти две смежные полости.

Способ сжатия газа в таких винтовых частях состоит в том, что после всасывания и образования замкнутой полости с газом этот газ переносится и одновременно сжимается между двумя подвижными поверхностями, расстояние между которыми уменьшается. Такими поверхностями являются соседние выступающие витки. Отдельно и аналогичным образом газ сжимается в винтовой канавке. Степень сжатия газа между выступающими витками отличается от степени сжатия газа в винтовой канавке, где движущимися поверхностями являются зубья в канавке.

Геометрическая степень сжатия газа в винтовой канавке равна отношению длины отсеченной канавки l₀ в момент ее образования формирующими витками на всасывании к длине винтовой канавки l между сжимающими витками в момент начала нагнетания. Длина отсеченной винтовой канавки на всасывании зависит от угла наклона винтовой линии у зуба второго формирующего витка при нахождении его в винтовой канавке одновременно с отсекающим зубом. При схеме компрессора, состоящего из одного ротора 1 и одного ротора 2, отсекающим зубом на всасывании является зуб первого формирующего витка. Первый и второй формирующие витки являются полными, т.е. каждый из них имеет угловую протяженность 360 градусов, поэтому в момент отсечения части винтовой канавки в ней одновременно находятся оба зуба формирующих витков.

При схеме компрессора, состоящего из одного ротора 1 и нескольких роторов 2, отсекающим часть канавки зубом является зуб первого формирующего витка другого ротора 2, смещенного относительно первого ротора 2 на угол 360 : n, где n - число роторов 2 в компрессоре.

Отсеченная часть канавки в момент начала ее нагнетания находится между зубьями последних двух сжимающих витков ротора 2, когда ротор 2 один, а при нескольких роторах 2 замыкающий зуб принадлежит витку другого ротора 2, смещенного на угол 360 : n относительно первого ротора 2. Длина отсеченной части канавки в момент начала ее нагнетания равна l.

Таким образом, геометрическая степень сжатия газа в винтовой канавке равна
Относительный объем всей винтовой канавки на винтовой части ротора 1 зависит от числа роторов 2. С увеличением этого числа относительный объем ее уменьшается.

На каждом роторе предусматривается по две цилиндрические винтовые части, расположенные конструктивно на расстоянии друг от друга, называемом разделяющей частью 4 ротора. Резьба винтовых частей ротора выполнена в противофазе. Поэтому осевые газовые силы уравновешиваются, а также уравновешиваются силы инерции и моменты от них, вызываемые витками однозаходной резьбы.

При необходимости уменьшения габаритов компрессора в длину используются роторы с одной винтовой частью на каждом роторе. При выполнении ротора сборным винтовые части роторов изготавливаются полыми. В этом случае уравновешивание инерционных сил и их моментов от витков однозаходной резьбы осуществляется выполнением уравновешивающей резьбы внутри винтовых частей ротора /фиг. 1/.

Если винтовая часть имеет выступающие витки, то уравновешивание ее выполняется внутри нее винтовыми канавками 5, повторяющими уравновешиваемую резьбу, т. е. с фазой, равной нулю, или выступающими витками 6 с фазой 180 градусов, или первым и вторым одновременно.

Фазы меняются местами при уравновешивании винтовой части с винтовыми канавками.

Если роторы имеют винтовые части небольшого диаметра и выполнены без полости внутри, то такие винтовые части имеют двухзаходную резьбу и не требуют уравновешивания, либо имеют однозаходную резьбу, но уравновешиваются винтовыми противовесами, размещаемыми на валу ротора вне винтовых частей.

На фиг. 3 показано шлицевое соединение для осуществления углового смещения винтовой части относительно ротора. Два диаметрально противоположных паза под шлицы вырезаются на внутренней поверхности цилиндра 7 с винтовой частью. На поверхности 8 ротора выполняются шлицы под эти пазы. Ширина паза делается значительно шире толщины шлица, что позволяет цилиндру 7 с винтовой частью иметь угловое смещение относительно ротора, что необходимо при регулировке зазоров при зацеплении винтовых частей роторов 1 и 2. Положение цилиндра 7 на роторе фиксируется набором прокладок, устанавливаемых в зазор между шлицем и стенками паза. От осевого смещения цилиндр 7 на роторе удерживается сварными кольцами 11, которые крепятся к телу ротора. С тем же результатом выполняются шлицы на цилиндре 7 с винтовой частью, а ответные пазы - на роторе.

Для регулирования зазоров между витками используются синхронизирующие шестерни, имеющие зубчатые венцы с возможностью их углового смещения.

Помимо цилиндрической винтовой части, одинаковой по наружному диаметру с ответной винтовой частью, винтовые компрессоры выполняются с винтовыми частями по форме коническими, а по размерам - цилиндрические с разными диаметрами.

Конструкция компрессора в целом схематично представлена на фиг. 2. Он состоит из корпуса 3, одного ротора 1 с двумя одинаковыми винтовыми частями 12 с винтовыми канавками в противофазе друг другу и четырех роторов 2 с двумя винтовыми частями 13 с выступающими витками на каждом роторе и находящимися в противофазе. Винтовые части по форме цилиндрические и располагаются в цилиндрических расточках корпуса 3. Роторы имеют синхронизирующие шестерни 14. Ротор 1 имеет удлинение вала 15 для присоединения компрессора к приводу. Роторы 1 и 2 имеют опорные и опорно-упорные подшипники скольжения, образованные разъемными вкладышами, которые расположены в разъемных обоймах 18. Корпус 3 с торцов закрывается крышками 17.

Камера нагнетания образована внутри корпуса 3, где размещены разделяющие части 4, меньшие по диаметру, чем винтовые части роторов. Благодаря этому образуется объем камеры нагнетания. Камера нагнетания соединена трубопроводом 18 с потребителем сжатого газа. Камера всасывания образована между подшипниковой обоймой 16 и торцами винтовых частей 12 и 13. Камера всасывания окружена коллектором 19 с фильтром 20, охватывающим прорези в корпусе 3 для прохода газа в камеру всасывания. Компрессор имеет две камеры всасывания.

Работа компрессора осуществляется следующим образом. Воздух или другой газ, пройдя фильтр 20 и коллектор 19, поступает в камеру всасывания. Винтовые части роторов при вращении осуществляют всасывание. Происходит это следующим образом. При выходе из зацепления конца формирующего витка 6a /фиг. 1/ из зацепления с винтовой канавкой 5a на стороне всасывания при вращении ротора 5 против часовой стрелки он начинает формировать полость между винтовой поверхностью, образованной ранее, которая отделяется от стороны всасывания из-за вращения ротора, и вновь создаваемой винтовой поверхностью выходящим из зацепления формирующим витком 6a. В эту создаваемую полость поступает газ из камеры всасывания до тех пор, пока имеется вход в нее, т.е. до тех пор, пока конец формирующего витка не пойдет снова через один оборот в зацепление с винтовой канавкой 5a. Полость с газом оказывается отсеченной и в дальнейшем из-за увеличения угла наклона сжимающих витков шаг между витками уменьшается, что ведет к уменьшению объема полости и возрастанию в ней давления. Когда последний выступающий виток 6a на стороне нагнетания выходит из зацепления, то замыкаемая этим витком полость открывается и соединяется с камерой нагнетания. Последующий виток выталкивает газ из раскрытой полости в камеру нагнетания. Из-за газа из камеры всасывания в камеру нагнетания на стороне всасывания создается разрежение.

Одновременно идет сжатие газа в канавках винтовой части ротора 1. Однако, степень сжатия газа в ней меньше, чем между выступающими витками. Процесс идет с недожатием.

В реально действующем компрессоре имеют место перетечки газа из полостей повышенного давления в полости пониженного давления. За счет перетечек недожатый газ в канавке будет повышать свое давление, и при подходе к камере нагнетания оно будет отличаться от давления в камере нагнетания незначительно.

На фиг. 4 показывается характер зацепления винтовых частей роторов с постоянно меняющимся шагом и возможность осуществления его. Огибаемыми и огибающими профилями в винтовых частях роторов при однозаходной /или двухзаходной/ резьбе являются отрезки прямой, равные по величине высоте зубьев R-r, являющиеся образуемыми винтовых поверхностей. Это отрезки a, b c и d, условно считаем, что отрезок a - огибаемый, а отрезок b - огибающий, аналогично отрезок c - огибаемый и отрезок d - огибающий. Строго согласно основному закону зацепления эти отрезки не могут образовать непрерывную линию контакта. От них этого не требуется. Основная их задача обогнуть друг друга, чтобы прийти в отсекающее сечение А-А c возможно меньшими боковыми зазорами t в этом сечении. Огибание одного отрезка другим оказывается возможным только благодаря зазорам t, которые позволяют одному отрезку проходить раньше или позже /в зависимости от направления вращения роторов/, место их встречи /натыкание друг на друга/, неизбежное в случае отсутствия этих зазоров.

Из построения зацепления на фиг. 4 видно, что величины /абсолютные и относительные/ зазоров и толщина витка δ зависят от высоты зуба R-r и угла наклона винтовой линии. Величина δ толщины зуба совместно с зазором t обеспечивают прохождение отрезка b относительно отрезка d без касания.

Так как толщина витка /минимально необходимая/ зависит помимо высоты зуба от величины шага, то в лучшем варианте винтовая часть ротора имеет переменную /клиновидную/ толщину витков. Однако, для упрощения технологии изготовления винтовых частей роторов толщина витков выполняется одинаковой на всем ее протяжении, а ее толщина принимается наибольшей из условия равенства ее той толщине витка, которую он из условия зацепления должен иметь в конце винтовой части на стороне наибольшего шага, т.е. при наименьшем угле наклона винтовой линии. Нахождение винтовых частей роторов в зацеплении друг с другом означает выполнение указанного условия. Наибольшая толщина витков ограничивается конструктивно и не превышает 0,2 шага формирующих витков.

Вышесказанное полностью относится к зацеплению винтовых частей роторов с постоянным шагом, которое является частным случаем зацепления винтовых частей роторов с переменным шагом.

При геометрическом построении зацепления в случае постоянного шага профиля рассматриваются только в одном торцевом сечении. При переменном шаге необходимо рассматривать разные торцевые сечения, как это осуществлено на фиг. 4 /сечение A-A и B-B/.

Для сборки роторов с винтовыми частями роторов постоянного шага необходимо совместить винтовые их части по длине и ввести их в зацепление, обкатывая один ротор относительно другого с одновременным погружением одной винтовой части в другую, выбирая зазор. Для сборки роторов с винтовыми частями переменного шага помимо совмещения винтовых частей по длине необходимо найти их взаимное угловое положение, при котором витки винтовых частей совпадут по осевому шагу, после чего винтовые части роторов с переменным шагом вводятся в зацепление аналогичным образом.

Винтовой компрессор относится к области компрессоростроения. Конструкция винтового компрессора обуславливается измененной конструкцией винтовых частиц роторов, сводящейся к тому, что они образованы однозаходной или двухзаходной резьбой, состоящей из первых двух витков, выполняющих функцию формирования замкнутой полости между ними на всасывание, и сжимающих витков, осуществляющих сжатие газа в своих межвитковых полостях. Число сжимающих витков зависит от отношения геометрической степени сжатия компрессора к допустимой геометрической степени сжатия в межвитковой полости сжимающих витков. Угол наклона формирующих витков непрерывно уменьшается, а угол наклона сжимающих витков непрерывно увеличивается по ходу резьбы в сторону нагнетания. Ротор с винтовой частью с винтовыми канавками находится в зацеплении с роторами с винтовыми частями с выступающими витками. Число последних от одного до четырех включительно на один ротор с винтовой частью с винтовыми канавками. Каждый ротор имеет по две винтовые части на конструктивном удалении друг от друга, которые находятся в противофазе. Повышается производительность, упрощается профиль зубьев, снижается шум при работе. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Винтовой компрессор, содержащий корпус с расточками, роторы с винтовыми частями, образованные выступающими витками и винтовыми канавками, расположенными в расточках корпуса и находящимися в зацеплении, камеры всасывания и нагнетания, синхронизирующие шестерни, отличающийся тем, что резьба винтовой части ротора с выступающими витками выполнена однозаходной или двухзаходной и состоит из формирующих и сжимающих витков, число которых соответственно равно 2 и i, где ε_об - геометрическая степень сжатия компрессора и ε_доп - допустимая геометрическая степень сжатия в одной межвитковой полости, причем угол наклона формирующих витков непрерывно уменьшается, а угол наклона сжимающих витков непрерывно увеличивается по ходу резьбы в сторону нагнетания, а толщина витков по среднему диаметру постоянна и не превышает 0,2L, где L - величина шага первых двух витков резьбы, являющихся формирующими, при этом число роторов с выступающими витками на один ротор с винтовыми канавками равно от одного до четырех включительно, а сами роторы уравновешены и имеют по две отдельные друг от друга винтовые части, находящиеся в противофазе, на каждом роторе. 2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что наружный диаметр винтовой части ротора с винтовыми канавками больше наружного диаметра винтовой части ротора с выступающими витками. 3. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что уравновешенные роторы выполнены сборными с полой винтовой частью, внутри которой выполнены винтовые канавки и/или выступающие витки. 4. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что уравновешенные роторы выполнены с двухзаходной резьбой или с винтовыми противовесами, размещенными вне их винтовых частей.