РАБОЧИЕ ЭЛЕМЕНТЫ СПИРАЛЬНОЙ МАШИНЫ Российский патент 2000 года по МПК F04C18/04 F04C27/00 

Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано в воздушных, газовых, холодильных и вакуумных спиральных машинах.

Известны рабочие элементы спиральной машины, один из которых выполнен подвижным с возможностью движения с эксцентриситетом относительно другого рабочего элемента, при этом профили рабочих элементов, прилегающих к стороне нагнетания, плавно скруглены, либо имеют заостренную форму и не выходят за пределы внутренней эвольвентной поверхности (US, 5562434 A, 1996, кл. F 04 C 18/04).

Недостатком известных рабочих элементов являются потери мощности из-за преждевременного размыкания линейных контактов между прилегающими к стороне нагнетания концевыми участками подвижного и неподвижного рабочих элементов, вследствие чего имеет место обратный поток газа в полость сжатия с меньшим давлением газа, чем давление нагнетания.

Наиболее близким аналогом является спиральная машина с рабочими элементами, первый из которых выполнен, например, подвижным с возможностью движения с эксцентриситетом относительно второго рабочего элемента, выполненного, например, неподвижным, при этом контуры сечений рабочих элементов машины сформированы (внешней и внутренней) эвольвентами, а контуры сечений концевых участков рабочих элементов, расположенные со стороны нагнетания, с целью предотвращения преждевременного размыкания линейных контактов между концевыми элементами, имеют утолщения, выходящие за пределы эвольвент, и являются зеркальным отражением друг друга, причем концевой участок каждого рабочего элемента со стороны нагнетания образован по меньшей мере двумя выпуклыми или вогнутыми поверхностями (US, 4547137 A, 1985, F 04 C 18/04).

Недостатками известных рабочих элементов являются ухудшение КПД из-за образования объема повторного расширения в конце фазы сжатия вследствие увеличенных технологических зазоров утолщенных концевых элементов, являющихся зеркальным отражением друг друга, при этом в конце фазы сжатия газ из объема повторного расширения, находящийся под давлением нагнетания, расширяется в рабочую полость, имеющую меньшее давление; ухудшаются также динамические характеристики машины вследствие утолщения концевых элементов спиралей.

Задачей изобретения является повышение КПД спиральной машины за счет исключения объема повторного расширения и улучшение динамических характеристик за счет устранения утолщения концевых элементов спиралей.

Техническое решение поставленной задачи обеспечивается тем, что контуры сечений концевых участков рабочих элементов расположены между продолжением их эвольвент, образующих контуры рабочих элементов, причем концевой участок одного рабочего элемента выполнен огибающим концевой участок другого рабочего элемента.

Кроме того, задача решается тем, что при выполнении контура сечения концевого участка одного рабочего элемента в виде выпуклой кривой, последняя образована дугой окружности, сопряженной одним концом с внешней эвольвентой, а другим - с касательной к внутренней эвольвентне, при этом вогнутая кривая, образующая контур сечения другого рабочего элемента выполнена по дуге окружности, огибающей контур сечения концевого участка, образованного выпуклой кривой, один конец дуги окружности сопряжен с внутренней эвольвентой, а другой - внешней эвольвентой.

Задача обеспечивается также тем, что при выполнении контура сечения концевого участка одного рабочего элемента в виде вогнутой кривой, последняя сопряжена одной стороной с внутренней эвольвентой, а другой - с внешней эвольвентой, при этом выпуклая кривая, образующая контур сечения концевого участка рабочего элемента, выполнена в виде дуги окружности, один конец которой сопряжен с касательной, проведенной к этой дуге окружности, а другой - с внешней эвольвентой, причем касательная в свою очередь сопряжена с внутренней эвольвентой.

На фиг. 1 представлены рабочие элементы спиральной машины в рабочем положении;
на фиг. 2 показаны взаимные положения рабочих элементов при перемещении подвижного рабочего элемента относительно неподвижного по круговой орбите через 90^o;
на фиг. 3 показаны примеры построения контуров продольных сечений рабочих элементов спиральной машины;
на фиг. 4 представлена теоретическая индикаторная диаграмма процесса сжатия одной полости спиральной машины.

Первый, например, подвижный рабочий элемент, показанный на фиг. 1, находится в зацеплении со вторым, например, неподвижным элементом 2, при этом подвижный элемент 1 совершает орбитальное движение с эксцентриситетом ε относительно неподвижного элемента 2 - оси рабочих элементов 1 и 2 остаются параллельными между собой, а между их поверхностями образуются, как минимум, две замкнутые полости, объем которых при относительном движении элементов уменьшается, то есть сжимаемая среда, например, газ поступает на всасывание 3 спиральной машины, сжимается в отсоединившихся полостях 5 и 6 и после соединения полостей 7 вытесняется на нагнетание 4 спиральной машины. Подвижный рабочий элемент 1 не может вращаться вокруг своей оси, а может совершать только орбитальное движение по окружности радиусом ε вокруг оси неподвижного элемента 2.

На фиг. 2 показаны взаимные положения элементов 1 и 2 при перемещении подвижного элемента 1 по круговой орбите через 90^o. Рабочий цикл спиральной машины совершается за один оборот подвижного элемента 1 по своей орбите, причем одновременно с процессом сжатия и последующим вытеснением газа в одной паре полостей происходит образование новой пары полостей, их постепенное заполнение свежим газом в течение всего цикла, затем процесс повторяется.

Подвижный рабочий элемент спиральной машины, показанный на фиг. 3, содержит внешнюю эвольвенту 8, плавно переходящую в выпуклую кривую 9, имеющую в качестве касательной 10, плавно переходящую во внутреннюю эвольвенту 11. Эвольвенты 8 и 11 расположены относительно друг друга на расстоянии, равном толщине спирали δ.
В качестве примера показано построение контура сечения концевого участка рабочего элемента 1 с выпуклой кривой 9 в виде части цилиндра радиуса
r = r₀ • p,
где r₀ - радиус основной окружности внутренней и внешней эвольвент 11 и 8;


γ = (σ-ε₁)/2;
σ = ε₂+β;
β = δ/r₀ - угол сдвига внутренней эвольвенты 11 относительно внешней эвольвенты 8, определяемый по точкам пересечения эвольвенты с начальной окружностью радиуса r₀;
δ - толщина спирали;
ε₁ - угол между касательной 10 и внешней эвольвентной 8 в точке A сопряжения эвольвенты с цилиндрической кривой 9 и осью X;
ε₂ - угол между касательной 10 и внешней эвольвентой 8 в точке C, соответствующей точке G сопряжения внутренней эвольвенты 11 с касательной 10 и осью X.

Прямая CE, где E - точка сопряжения цилиндрической кривой 9 и касательной 10, описывается уравнением:
X cosη+Y sinη-r₀ε = 0,
где ε = π•r₀-δ - радиус орбитального движения подвижного рабочего элемента или эксцентриситет.

Неподвижный рабочий элемент 2 спиральной машины, показанной на фиг. 3, содержит внутреннюю эвольвенту 12, плавно переходящую в кривую обкатки 13, которая, в свою очередь, плавно переходит в прямую 14, ограничивающую внешнюю эвольвенту 15.

В качестве примера ниже показано построение контура продольного сечения неподвижного рабочего элемента 2, вогнутой кривой обкатки 13 в виде дуги окружности.

Контур сформирован внутренней эвольвентой 12, плавно переходящей в точке сопряжения P в цилиндрическую кривую радиуса R, являющейся кривой обкатки, которая, в свою очередь, плавно переходит в точке сопряжения G в касательную LG, пересекающуюся в точке L с внешней эвольвентой 15.

Радиус окружности PG определяется по формуле:
R = ε+r.
Прямая LG описывается уравнением:
X cosη₂+Y sinη₂-OG = 0,
где η₂ = = arccos (X_G/OG;

X_G и Y_G- соответственно координаты X и Y точки G.

Рассмотрение представленной на фиг. 4 теоретической индикаторной диаграммы процесса сжатия спиральной машины показывает, что по сравнению с первым аналогом экономия мощности второго аналога будет соответствовать отношению площадей фигур 16-19-18-17-16 и 15-16-19-21-23-15, экономия в соответствии с данным предложением по сравнению со вторым аналогом - отношение площадей 20-21-22-20 и 15-17-18-21-23-15 соответственно, т.е. находится в пределах 5-10% и зависит от режима работы спиральной машины.

Рабочие элементы спиральной машины работают следующим образом. Газовая среда подводится на всасывание машины. При орбитальном движении подвижного элемента 1 относительно неподвижного 2 с эксцентриситетом образующиеся замкнутые полости перемещают газ со стороны всасывания 3 к стороне нагнетания 4. Cжатие происходит благодаря уменьшению объемов рабочих полостей.

В определенный момент, который определяется необходимыми параметрами рабочего процесса, происходит соединение рабочих полостей друг с другом и окном нагнетания и дальнейшее вытеснение сжимаемой среды в окно нагнетания.

Как следует из представленных на фиг. 2 взаимных положений рабочих элементов 1 и 2, при перемещении подвижного элемента 1 относительно неподвижного элемента 2 следует избегать как преждевременного размыкания линейных контактов между прилегающими к стороне нагнетания концевых участков подвижного и неподвижного элементов 1 и 2. В предложенных рабочих элементах 1, 2 спиральной машины контуры прилегающих к стороне нагнетания рабочих элементов образованы внешней и внутренней эвольвентами, сопряженными друг с другом, контуры сечений концевых участков элементов не выходят за пределы эвольвент и образованы по крайней мере одной выпуклой и/или вогнутой кривой и плавно сопряженной с ними, при этом контур одного из элементов выполнен огибающим по отношению к соответствующей выпуклой или вогнутой кривой контура другого элемента и, следовательно, не идентичны.

Как следует из представленной на фиг. 4 теоретической индикаторной диаграммы, настоящее изобретение позволяет разгрузить объем повторного расширения в конце фазы нагнетания; кроме того, уменьшаются динамические нагрузки в спиральной машине.

Рабочие элементы предназначены для использования в спиральных машинах, применяемых, например, в компрессоростроении. Контуры продольных сечений, прилегающих к стороне нагнетания рабочих элементов, один из которых выполнен подвижным, а другой неподвижным, образованы внешней и внутренней эвольвентами. Контуры сечений концевых участков рабочих элементов не выходят за пределы продолжений эвольвент, образующих рабочие элементы. Контур сечения концевого участка одного рабочего элемента выполнен огибающим контур сечения концевого участка другого рабочего элемента. Это позволяет разгрузить объем повторного расширения в конце фазы нагнетания и уменьшить динамические нагрузки в спиральной машине. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Рабочие элементы спиральной машины, по крайней мере один из которых выполнен с возможностью движения с эксцентриситетом относительно другого рабочего элемента, внутренний и внешний контуры продольного сечения каждого рабочего элемента выполнены в виде эвольвент, а контур сечения концевого участка каждого рабочего элемента, расположенный со стороны нагнетателя, образован по меньшей мере одной выпуклой и/или вогнутой кривой, сопряженной с соответствующими эвольвентами, отличающийся тем, что контур сечения концевого участка каждого рабочего элемента расположен между продолжением его эвольвент, а концевой участок одного рабочего элемента выполнен огибающим концевой участок другого рабочего элемента. 2. Рабочие элементы по п.1, отличающиеся тем, что при выполнении контура сечения одного рабочего элемента в виде выпуклой кривой последняя образована дугой окружности, сопряженной одним концом с внешней эвольвентой, а другим - с касательной к внутренней эвольвенте, при этом вогнутая кривая, образующая контур сечения концевого участка другого рабочего элемента, выполнена по дуге окружности, огибающей контур сечения концевого участка, образованного выпуклой кривой, один конец этой дуги окружности сопряжен с внутренней эвольвентой, а другой - с внешней эвольвентой. 3. Рабочие элементы по п.1, отличающиеся тем, что при выполнении контура сечения концевого участка одного рабочего элемента в виде вогнутой кривой последняя сопряжена одним концом с внутренней эвольвентой, а другим - с внешней эвольвентой, при этом выпуклая кривая, образующая контур сечения концевого участка другого рабочего элемента, выполнена по дуге окружности, один конец которой сопряжен с внешней эвольвентой, а другой - с касательной, проведенной к этой дуге окружности, причем касательная, в свою очередь, сопряжена с внутренней эвольвентой.