ОБЪЕМНАЯ СФЕРИЧЕСКАЯ РОТОРНАЯ МАШИНА Российский патент 2000 года по МПК F01C3/00 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к машинам объемного действия, и может быть использовано в качестве двигателя, насоса или компрессора.

Известна объемная сферическая роторная машина, содержащая корпус с четырьмя впускными - выпускными каналами и размещенные в сферической полости корпуса три ротора, образующие четыре рабочих камеры, центральный ротор соединен с каждой стороны диаметральным шарниром с соответствующим секторным ротором с валом, при этом камерообразующие поверхности всех роторов являются плоскими (акцептованная заявка Японии N 47-44565, F 01 C 3/00, 10.11.72).

Недостатком известной машины является малая толщина секторного ротора в районе вала, что ограничивает диаметр вала и размер коренных подшипников, обуславливает недостаточную развитую зону сплошного перекрытия сферической поверхности корпуса сферической поверхностью ротора и, как следствие, сложность и малоэффективность уплотняющих устройств, граничащих с горячей зоной рабочих камер. Размещение впускных-выпускных каналов вблизи подшипниковых узлов взаимно ограничивает их эффективность. Относительно небольшая толщина валов и секторных роторов затрудняет отвод от них тепла, что обуславливает значительную их теплонапряженность. В центральном роторе наличие на его периферии большой динамической неуравновешенной массы приводит к возникновению в нем значительных внутренних напряжений и деформаций, возникающих при высоких оборотах роторов.

Техническим результатом изобретения является упрощение и повышение эффективности уплотняющих устройств, повышение эффективности впускных-выпускных каналов вследствие их удаления от подшипниковых узлов, улучшение теплоотвода от валов, а также снижение динамических и тепловых деформаций центрального ротора.

Технический результат достигается тем, что в объемной сферической роторной машине, содержащей корпус с впускными-выпускными каналами и размещенные в сферической полости корпуса три ротора, образующие четыре рабочих камеры, центральный ротор соединен с каждой стороны диаметральным шарниром с соответствующим секторным ротором с валом, камерообразующие поверхности секторных роторов образованы по крайней мере двумя плоскостями, или криволинейной, или плоскокриволинейной поверхностями, обеспечивающими увеличение секторообразующего угла от диаметрального шарнира к периферийной сферической поверхности, измеряемого между осью вращения секторного ротора и прямой, соединяющей центр сферы с точкой на камерообразующей поверхности секторного ротора, а каждая камерообразующая поверхность центрального ротора повторяет форму соответствующей ей камерообразующей поверхности секторного ротора.

При этом впускные-выпускные каналы могут иметь сопловой участок переменного сечения.

Кроме этого, оси впускных - выпускных каналов имеют тангенциальный наклон, впускного - по направлению, а выпускного - навстречу направлению вращения роторов машины.

Кроме того, корпус может состоять из двух полукорпусов, соединенных между собой в экваториальной плоскости, равноудаленной от полюсов машины в каждом меридианном сечении, один из полукорпусов имеет в этой плоскости кольцевую проточку, в которой размещен кольцевой выступ другого полукорпуса, образуя центрирующее устройство.

Полукорпуса предпочтительно могут быть скреплены с помощью устройства, обеспечивающего возможность их углового смещения друг относительно друга и нулевого меридиана.

Кроме того, участок вала, граничащий с секторным ротором, размещен в отверстии полукорпуса, выходящем на сферическую камерообразующую поверхность корпуса, с зазором, обеспечивающим наклон вала секторного ротора при установке в полукорпус машины.

Предпочтительно, чтобы в зазоре было расположено уплотнение или элемент подшипникового узла.

На фиг.1 показана объемная сферическая роторная машина, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, с повернутыми на 90 градусов роторами; на фиг.3 - сечение А-А на фиг. 1 по осям впускного-выпускного каналов в момент смены циклов в рабочих камерах; на фиг.4 - схема координат машины, аналогичных географическим, в которой - точки A, B - полюса машины - образованы пересечением осей вращения секторных роторов с камерообразующей сферической поверхностью корпуса;
- угол α называют углом прецессии машины;
- дуга ACB - нулевой меридиан системы координат - линия на сферической поверхности, соединяющая кратчайшим путем полюса машины, за положительное направление отсчета координаты принимается направление вращения роторов машины в основном рабочем цикле;
- угол Ψ - широта координаты, исчисляется от оси вращения секторных роторов;
- экватор - линия на сферической поверхности, равноудаленная от полюсов в каждом меридианном сечении, окружность с точками PC;
- линия AMPB - меридианное сечение сферы; AC=CB; AP=PB, где точка М имеет координаты: широта - угол Ψ, долгота - угол α.

Объемная сферическая роторная машина имеет корпус, состоящий из двух полукорпусов 1 и 2, соединенных между собой хомутом 3. В сферической полости корпуса расположены три ротора. Центральный ротор 4 соединен с каждой стороны диаметральным шарниром с соответствующим секторным ротором 5 или 6. Секторный ротор 5 или 6 заодно с валом 7 или 8. Оси вращения валов расположены под некоторым углом друг к другу и пересекаются с осями диаметральных шарниров в центре сферической полости, а оси диаметральных шарниров перпендикулярны между собой. Роторы 4, 5, 6 прилегают своими периферическими поверхностями к сферической поверхности корпуса машины и образуют четыре камеры: камеры 9 и 10, смежные секторному ротору 5, и камеры 11 и 12, смежные секторному ротору 6. Валы 7 и 8 установлены в полукорпусах 1, 2 в подшипниковых узлах с коренными подшипниками 13 и 14.

Камерообразующие поверхности секторных роторов 5 и 6 в общем случае могут быть образованы двумя или более плоскостями, или криволинейной, или плоскокриволинейной поверхностью. В конструкции, изображенной на фигурах, камерообразующие поверхности секторных роторов 5 и 6 выполнены цилиндрическими с радиусом, равным радиусу камерообразующей сферической поверхности корпуса.

Камерообразующая радиальная поверхность обеспечивает увеличение секторообразующего угла секторного ротора от области диаметрального шарнира к периферийной сферической поверхности. Секторообразующий угол измеряется между осью вращения секторного ротора 5 или 6 и прямой, соединяющей центр сферы с точкой на камерообразующей радиальной поверхности секторного ротора 5 и 6. Камерообразующая поверхность центрального ротора 4 повторяет форму соответствующей ей камерообразующей поверхности секторного ротора 5 или 6. Так в приведенной машине секторообразующий угол в области диаметрального шарнира составляет 25^o и увеличивается к периферии до 36^o, что обеспечивает увеличение диаметра зоны сплошного перекрытия полюсной части до 0,63 D, где D - диаметр камерообразующей поверхности сферы машины.

Форма камерообразующих поверхностей роторов машины позволяет:
- увеличить диаметр зоны сплошного перекрытия полюсной части сферической полости корпуса сферической поверхностью секторных роторов 5 и 6, что позволяет увеличить диаметр вала 7 или 8 и размер коренных подшипников 13 и 14, улучшить обтюрацию рабочих камер, удалить их горячие поверхности от подшипниковых узлов и снизить тепловую напряженность секторных роторов 5 и 6;
- в области диаметрального шарнира обеспечить максимально возможный охват осей секторных роторов 5 и 6 ответной частью диаметрального шарнира центрального ротора 4;
- уменьшить динамически неуравновешенную периферийную часть центрального ротора 4, что снижает динамические и тепловые деформации ротора 4 и позволяет увеличить скорость его вращения.

Перечисленные особенности снижают динамическую и тепловую напряженность машины и позволяют увеличить ее производительность и ресурс.

Впускные-выпускные каналы 15, 16, 17, 18 расположены попарно противоположно в каждом полукорпусе 1, 2 в зоне перекрытия сферической поверхностью секторного ротора 5 или 6 при его повороте на угол до 90^o по направлению вращения, измеряемый относительно оси диаметрального шарнира секторного ротора 5 или 6 и нулевого меридиана. На фиг.1 и 2 сечение каналов вынесено в плоскость сечения машины, проходящую через нулевой меридиан. Широта ближайшего к полюсу участка кромки канала 15-18 равна или больше широты окружности сплошного перекрытия полюсной части сферической полости корпуса сферической поверхностью секторного ротора 5 или 6. Смещение каналов 15-18 в экваториальную область вследствие увеличения толщины сферического участка шарового сектора секторного ротора 5, 6 также позволяет удалить их от подшипниковых узлов, позволяет увеличить проходное сечение каналов. На фиг. 1 действительное положение канала 15 показано поз. 19, где сплошной линией обозначен видимый участок кромки, пунктиром - закрытый секторным ротором. Заштрихованная область 20 соответствует положению канала 16. На фиг.3 показано сечение А-А по осям впускного-выпускного каналов 15 и 16 в момент смены циклов в рабочих камерах, соответствующей повороту секторного ротора на угол 80^o, являющийся фазозадающим углом и зависящий от динамики машины и характеристик рабочего тела. Впускные-выпускные каналы 15-18 могут иметь сопловой участок переменного сечения. Оси каналов 15-18 могут иметь тангенциальный наклон, впускного канала 16 - по направлению, а выпускного канала 15 - навстречу направлению вращения роторов машины. Стрелками показано направление движения рабочего тела в впускном канале 16, его движение в рабочей камере 9, совпадающее с направлением вращения роторов и его истечение в выпускной канал 15, реализуемое при работе машины в качестве парового двигателя. Камера 9 является рабочей и находится в конце рабочего цикла. Камера 10 взведена (объем камеры наименьший, рабочее тело вытеснено) и готова к приему заряда рабочего тела. Для реверсных, низкоскоростных машин (гидронасосов, гидродвигателей и т. д. ) фазозадающий угол может быть равен 90^o, а тангенциальный наклон каналов отсутствовать.

Смещение впускных-выпускных каналов в экваториальной области, наличие сопловых участков и тангенциального наклона каналов, увеличение их проходного сечения облегчают циркуляцию рабочего тела в машине, улучшают условия работы подшипниковых узлов, что позволяет увеличить производительность и ресурс машины в целом.

Диаметральный шарнир секторного ротора 6 имеет две полуоси 21 и 22, которые установлены на выступы секторного ротора 6. Диаметральный шарнир секторного ротора 5 имеет одну сплошную цилиндрическую ось 23.

Описываемая машина имеет центрирующее устройство, позволяющее изменять значение фазозадающего угла.

Полукорпуса 1 и 2 соединены между собой в экваториальной плоскости, равноудаленной от полюсов машины в каждом меридианном сечении. В одном из полукорпусов 1 имеется кольцевая проточка, в которую входит кольцевой выступ второго полукорпуса 2, образуя центрирующее устройство. Полукорпуса 1, 2 скреплены между собой устройством - хомутом 3, обеспечивающим их угловое смещение относительно друг друга и нулевого меридиана.

Взаимное угловое смещение полукорпусов 1 и 2 позволяет изменять значение фазозадающего угла, что дает возможность оптимизировать рабочий цикл машины в широком диапазоне скоростей вращения роторов. При угловом смещении полукорпусов 1, 2 одновременно с изменением фазозадающего угла происходит изменение угла прецессии, которое может быть использовано с положительным результатом. При уменьшении угла прецессии несколько уменьшается объем рабочей камеры, но при этом увеличивается объем взведенной камеры, в которой с ростом скорости вращения роторов увеличивается количество отработанного рабочего тела, не успевающего покинуть взводимую камеру. Уменьшение угла прецессии с ростом скорости вращения роторов снижает нагрузки в роторном узле, обусловленные динамикой и кинематикой машины.

Перечисленные особенности центрирующего устройства позволяют повысить эффективность машины в широком диапазоне скоростей вращения роторов, снизить нагрузки в роторном узле, что увеличивает производительность и ресурс машины.

Для обеспечения собираемости машины между участком вала 7, 8, граничащим с секторным ротором 5, 6 и отверстием в полукорпусе 1, 2, выходящем на камерообразующую сферическую поверхность этого полукорпуса 1, 2, имеется зазор. Зазор обеспечивает наклон вала 7, 8 секторного ротора 5, 6 при установке последнего в полукорпус 1, 2 машины. После установки секторного ротора 5, 6 в зазоре может быть расположено уплотняющее устройство 24 или элемент подшипникового узла.

Объемная сферическая роторная машина работает следующим образом.

В каналы 16, 17 подается под давлением рабочее тело. При прохождении роторами 4, 5, 6 положения смены циклов (фиг.3) рабочее тело поступает в взведенную рабочую камеру 10 из канала 16 и в камеру 11 из канала 17. Происходит наддув этих камер 16, 17, и совершается рабочий ход, называемый рабочим циклом. Одновременно с этим в смежных камерах 9 и 12, открытых и сообщающихся с выпускными каналами 15, 18, происходит истечение отработанного рабочего тела с одновременным уменьшением объема камер 9, 12.

Изобретение относится к машинам объемного действия и может быть использовано в качестве двигателя, насоса или компрессора. В сферической полости корпуса расположены центральный ротор 4 и секторные роторы 5, 6, соединенные диаметральным шарниром и образующие рабочие камеры 9, 10. Камерообразующие поверхности секторных роторов 5, 6 образованы двумя и более плоскостями, или криволинейной, или плоскокриволинейной поверхностями, обеспечивающими увеличение секторообразующего угла от области диаметрального шарнира к периферийной сферической поверхности. Камерообразующие поверхности центрального ротора 4 повторяют соответствующие им поверхности секторных роторов 5, 6. Впускные-выпускные каналы 15 - 18 могут иметь сопловой участок переменного сечения и тангенциальный наклон осей, впускного канала 16 - по направлению, а выпускного канала 15 - навстречу направлению вращения роторов машины. Упрощается и повышается эффективность уплотняющих устройств, повышается эффективность впускных-выпускных каналов вследствие их удаления от подшипниковых узлов, улучшается теплоотвод от валов, а также снижаются динамические и тепловые деформации центрального ротора. 6 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Объемная сферическая роторная машина, содержащая корпус с четырьмя впускными-выпускными каналами и размещенные в сферической полости корпуса три ротора, образующие четыре рабочих камеры, центральный ротор соединен с каждой стороны диаметральным шарниром с соответствующим секторным ротором с валом, отличающаяся тем, что камерообразующие поверхности секторных роторов образованы, по крайней мере, двумя плоскостями, или криволинейной, или плоскокриволинейной поверхностями, обеспечивающими увеличение секторообразующего угла от диаметрального шарнира к периферийной сферической поверхности, измеряемого между осью вращения секторного ротора и прямой, соединяющей центр сферы с точкой на камерообразующей поверхности секторного ротора, а каждая камерообразующая поверхность центрального ротора повторяет форму соответствующей ей камерообразующей поверхности секторного ротора. 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что впускные-выпускные каналы имеют сопловой участок переменного сечения. 3. Машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что оси впускных-выпускных каналов имеют тангенциальный наклон, впускного - по направлению, а выпускного - навстречу направлению вращения роторов машины. 4. Машина по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что корпус состоит из двух полукорпусов, соединенных между собой в экваториальной плоскости, равноудаленной от полюсов машины в каждом меридианном сечении, один из полукорпусов имеет в этой плоскости кольцевую проточку, в которой размещен кольцевой выступ другого полукорпуса, образуя центрирующее устройство. 5. Машина по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что полукорпуса скреплены с помощью устройства, обеспечивающего возможность их углового смещения друг относительно друга и нулевого меридиана. 6. Машина по любому из пп.1 - 5, отличающаяся тем, что участок вала, граничащий с секторным ротором, размещен в отверстии полукорпуса, выходящем на сферическую камерообразующую поверхность корпуса, с зазором, обеспечивающим наклон вала секторного ротора при его установке в полукорпус машины. 7. Машина по п.6, отличающаяся тем, что в зазоре расположено уплотнение или элемент подшипникового узла.