СПОСОБ ИЗМЕНЕНИЯ ОБЪЕМА РАБОЧИХ КАМЕР В ОБЪЕМНЫХ МАШИНАХ Российский патент 2000 года по МПК F04C18/16 F01C1/16 

Изобретение применяется в области создания объемных машин, использующих процессы сжатия и расширения газов. К объемным машинам относятся: поршневые и винтовые роторные компрессоры, детандеры, двигатели, ротационно-пластинчатые, двухроторные и жидкостно-кольцевые компрессоры.

Несмотря на различие рабочих органов указанных машин, в них используется один и тот же способ изменения объема их рабочих камер. Сущность его легче всего проследить на примере поршневой машины, в которой осуществляется большая часть процессов, характерных для этого способа.

В положении поршня в ВМТ с открытием впускного клапана полость между поршнем и крышкой цилиндра становится открытой, и в нее через впускной клапан при движении поршня вниз поступает газ. После закрытия впускного клапана полость между поршнем и крышкой цилиндра становится закрытой и превращается в рабочую камеру. Для изменения объема рабочей камеры поршень перемещают относительно крышки цилиндра. При этом крышка цилиндра остается неподвижной, поэтому относительная скорость перемещения поршня равна скорости его собственного поступательного перемещения в цилиндре. После открытия выпускного клапана рабочая камера превращается в открытую полость, и газ из нее вытесняется поршнем.

Аналогично этот способ осуществляется в любой машине объемного действия, в том числе и в винтовой роторной машине, например, в двухроторном компрессоре, который принимается за ближайший аналог [1, с. 67-68]. Винтовые поверхности роторов и стенок корпуса образуют рабочие камеры. Происходит это при вращении роторов. Объем винтовых впадин увеличивается, когда выступы роторов выходят из них, в результате чего происходит процесс всасывания. Когда объем впадин достигает максимума, процесс всасывания заканчивается и впадины с газом оказываются изолированными стенками корпуса и крышек всасывающего и нагнетательного патрубков, что приводит к образованию рабочих камер.

При дальнейшем вращении роторов во впадину одного ротора начинает внедряться сопряженный выступ другого ротора. Линия контактирования сопряженных элементов постепенно распространяется в сторону крышки нагнетательного патрубка, объем впадин, образующих парную полость, уменьшается. Завершение изменения объема парной полости происходит при входе зубьев в зацепление на стороне нагнетания, после чего парная полость вытесняется через окно нагнетания.

В винтовых компрессорах, состоящих из одного ротора и двух отсеченных шестерен изменение объема осуществляется параллельно в двух противоположных винтовых полостях. В этом случае зубья шестерни поочередно отсекают винтовые полости от полостей всасывания, а после сжатия газа в каждой из них газ поступает в нагнетательную полость. Степень изменения объема в каждой из поочередно образовавшихся рабочих камер одинакова [2, с. 221].

Как видно из примеров, в винтовом роторном компрессоре роль поршня выполняют сопряженные элементы, роль крышки цилиндра выполняет крышка нагнетательного патрубка, а роль клапанов выполняют окна.

Недостатком способа, принятого за ближайший аналог, является невозможность увеличивать дальше скорость перемещения подвижной стенки и тем самым увеличивать объемную производительность объемных машин, так как это привело бы к возрастанию газодинамических потерь.

Техническая задача, которую решает изобретение, заключается в том, чтобы создать такой способ изменения объема рабочих камер, при котором появляется возможность увеличить объемную производительность машин.

Данная задача решается в способе изменения объема рабочих камер в объемных машинах, включающем наполнение газом открытых полостей, образование из полостей рабочих камер, изменение их объемов перемещением одного выступающего витка рабочей камеры относительно другого, раскрытие рабочих камер и вытеснение из них газа, при этом изменение объема каждой образованной рабочей камеры и перенос газа в ней при вращении ротора осуществляется между любыми двумя соседними выступающими витками, движущимися в одну и ту же сторону с разными скоростями из-за разных углов наклона их винтовых линий, причем изменение объема рабочей камеры осуществляется перемещением одного движущегося витка относительно другого движущегося витка с относительной скоростью, меньшей, чем собственная скорость перемещаемого витка в этом направлении, а перенос газа в рабочей камере происходит со скоростью сзади идущего витка.

На фиг. 1 изображена конструкция устройства для изменения объема рабочих камер, на фиг. 2 - машина объемного действия, на фиг. 3 - ротор со смещаемой по углу винтовой частью.

Устройство, с помощью которого осуществляется предлагаемый способ изменения объема рабочих камер, схематично показано на фиг. 1. Устройство состоит из одного ротора 1 и нескольких роторов 2, число которых будет указано ниже. Винтовая часть ротора 1 находится в зацеплении с винтовой частью каждого ротора 2. Винтовая часть шнекового типа ротора 2 образована выступающими витками 4 однозаходной резьбы переменного шага. Винтовая часть ротора 1 имеет резьбу, ответную резьбе винтовой части ротора 2, образованную винтовыми канавками 3.

Максимальное число роторов 2 на один ротор 1 зависит от соотношения наружных диаметров винтовых частей роторов 1 и 2.

При их одинаковом диаметре максимальное число роторов 2 на один ротор 1 равно четырем, а конструктивно возможное их число - от одного до четырех включительно. При наружном диаметре винтовой части ротора 1 большем, чем наружный диаметр винтовой части ротора 2, их максимальное число больше четырех, а при наружном диаметре винтовой части ротора 1 меньшем, чем наружный диаметр винтовой части ротора 2, максимальное число роторов 2 меньше четырех. Соответствующим образом изменяется и конструктивно возможное их число.

Угол наклона винтовых линий выступающих витков 4 к образующей цилиндра - переменный и задается для любой точки винтовой линии функцией от угла поворота вокруг оси ротора при заданном ее начальном положении. Функция задается аналитически, или графически, или с помощью шаблона. Винтовая часть роторов 2 при необходимости, возникающей из условия входа газа в винтовую часть роторов, имеет как участки с постоянным, так и участки с переменным углом наклона винтовых линий к образующей.

Роторы 1 и 2 имеют опорные и опорно-упорные подшипники, а винтовые части роторов 1 и 2 расположены в цилиндрических расточках 6 и 7 корпуса 8 с необходимыми зазорами между цилиндрическими поверхностями роторов и между поверхностями расточек и наружными поверхностями винтовых частей роторов.

Кинематическая связь между ротором 1 и каждым ротором 2 осуществляется с помощью синхронизирующих шестерен, обеспечивающих бесконтактное, с определенным зазором, зацепление выступающих витков 4 ротора 2 с винтовой канавкой 3 ротора 1.

Из фиг. 1 видно, что при зацеплении винтовой части ротора 2 с винтовой частью ротора 1 образуются две рабочие камеры, изолированные друг от друга. В винтовой части ротора 2 рабочие камеры образуются между любыми двумя соседними выступающими витками 4, которые отделяют ее от соседних рабочих камер благодаря зацеплению этих витков с винтовыми канавками 3 при технологически выполнимых зазорах. Каждая рабочая камера ограничена помимо этих двух витков цилиндрической поверхностью расточки 7 и цилиндрической поверхностью ротора 1 в пределах этих двух витков. Рабочие камеры в винтовой части ротора 2 отделяются друг от друга смежными витками 4.

В винтовой части ротора 1 рабочие камеры образуются внутри винтовой канавки 3 между любыми двумя соседними зубьями витков 4, которые изолируются одна от другой смежным зубом. Причем соседними зубьями являются как зубья витков 4 одного и того же ротора 2, так и зубья витков 4 разных роторов 2. В первом случае устройство состоит из одного ротора 1 и одного ротора 2, а во втором случае устройство имеет один ротор 1 и несколько роторов 2.

Смежные рабочие камеры, разделяемые витком 4, и смежные рабочие камеры, разделяемые зубом этого витка 4, изолированы друг от друга и не объединяются друг с другом на всем пути от их образования до их раскрытия.

Общая степень изменения объема каждой из указанных рабочих камер равна отношению ее объема в момент ее образования к объему этой рабочей камеры в момент ее раскрытия.

Число витков 4 ротора 2 определяется отношением общей степени изменения объема рабочей камеры в устройстве к допустимой степени изменения объема газа в одной рабочей камере, которая выбирается из условия допустимой шумности работы устройства, связанной со скоростью изменения давления по углу поворота ротора, и КПД процесса, зависящего от степени изменения объема в одной рабочей камере, и от числа оборотов в единицу времени.

Предлагаемый способ изменения объема рабочих камер осуществляется в устройстве следующим образом. При вращении ротора 2 один из крайних витков 4 винтовой части этого ротора, выходя из зацепления с винтовой канавкой 3, перемещается вглубь винтовой части ротора 2, и вслед за ним газ из прилегающей камеры заполняет освобождающееся пространство до тех пор, пока этот виток 4 не совершит один полный, т.е. на 360 градусов, оборот. Когда он войдет снова и зацепление с винтовой канавкой 3, поступивший газ окажется в замкнутой полости между первым и вторым витками, которые образуют рабочую камеру на входе в винтовую часть роторов.

В это же время другой крайний выступающий виток 4 с другой стороны винтовой части ротора 2, выходя из зацепления с винтовой частью ротора 2, выходя из зацепления с винтовой канавкой 3, раскрывает рабочую камеру, прошедшую через всю винтовую часть ротора 2 после ее создания и изменившую свой первоначальный объем. Газ из раскрывшейся рабочей камеры вытесняется сзади идущим витком 4.

Изменение объема рабочей камеры, созданной на входе в винтовую часть ротора 2 между двумя первыми витками 4, происходит в результате перемещения вдоль винтовой части ротора одного движущегося витка 4 относительно другого движущегося витка 4, ограничивающих рабочую камеру, которая остается замкнутой все то время, пока эти витки 4 находятся в зацеплении. Перемещение одного витка 4 относительно другого оказывается возможным благодаря тому, что собственная скорость перемещения каждого витка разная и в любой момент времени определяется углом наклона винтовой линии той части витка, которая находится в этот момент времени в зацеплении с винтовой канавкой 3. Поскольку оба витка являются движущимися в одну и ту же сторону, то относительная скорость перемещения одного витка 4 относительно другого оказывается меньшей, чем собственная скорость перемещаемого витка в этом направлении. Одновременно с изменением объема рабочей камеры происходит перенос газа в этой камере между этими двумя движущимися витками со скоростью сзади идущего витка.

Аналогично происходит образование и изменение объема рабочей камеры в винтовой канавке 3. При выходе крайнего выступающего витка 4 со стороны поступления газа из зацепления с винтовой канавкой 3 в ней образуется открытая полость, в которую поступает газ из прилегающей камеры до тех пор, пока вышедший из зацепления виток 4 того же ротора 2 при одном роторе 2 на один ротор 1 или виток 4 другого ротора 2 при числе их больше одного на один ротор 1 не войдет в зацепление с винтовой канавкой 3. В результате этого в винтовой канавке 3 образуется очередная рабочая камера.

Изменение объема образовавшейся рабочей камеры в винтовой канавке 3 происходит также из-за разных собственных скоростей перемещения зубьев витков 4 в винтовой канавке 3 в одну и ту же сторону вдоль винтовой части ротора 1 вследствие того, что углы наклона винтовых линий тех частей витков 4, которые находятся в этот момент в винтовой канавке, разные. При этом относительная скорость перемещаемого зуба относительно другого зуба витков 4 вдоль винтовой части меньше, чем его собственная скорость перемещаемого витка в этом направлении. Одновременно с изменением объема рабочей камеры осуществляется перенос газа в этой камере. Скорость переноса определяется собственной скоростью сзади идущего зуба вдоль винтовой части.

Однако степень изменения объема рабочей камеры в винтовой канавке 3 меньше, чем степень изменения объема рабочей камеры между выступающими витками 4. Это легко себе представить на примере устройства, состоящего из одного ротора 1 и одного ротора 2. Даже при наибольшем сближении в винтовой части двух соседних зубьев витков 4 между ними остается канавка, по длине равная окружности вокруг винтовой части ротора 1. Это означает, что изменение объема рабочей камеры в винтовой канавке 3 происходит только за счет изменения ее длины вдоль винтовой части ротора 1. Поэтому с увеличением числа роторов 2 на один ротор 1 степень изменения объема рабочей камеры в винтовой канавке 3 возрастает, так как относительная окружная длина канавки 3, входящая в объем рабочей камеры, в этих случаях уменьшается.

Раскрытие рабочей камеры в винтовой канавке 3 происходит при выходе другого крайнего витка 4 винтовой части ротора 2 из зацепления с винтовой канавкой 3. При этом рабочая камера раскрывается и сообщается с прилегающей к винтовой части камерой. Давление газа в раскрывшейся рабочей камере сравнивается с давлением газа в прилегающей камере. Вытеснение газа из раскрывшейся рабочей камеры осуществляется сзади идущим зубом витка 4.

Из-за того что изменение объема в рабочей камере винтовой канавки 3 происходит в меньшей степени, чем в рабочей камере между выступающими витками 4, возникают связанные с этим энергетические потери. Поэтому для их уменьшения лучшим вариантом конструкции устройства для осуществления предлагаемого способа изменения объема рабочих камер является такая конструкция устройства, при которой относительный расход газа через винтовую канавку 3 оказывается наименьшим. Такая конструкция устройства достигается при максимально возможном числе роторов 2 на один ротор 1 и при возможно наименьшей толщине выступающих витков 4 и соответственно наименьшей ширине винтовой канавки 3.

Конструкция устройства на фиг. 1 позволяет изменять начальный объем рабочей камеры как в сторону его уменьшения, так и в сторону его увеличения в зависимости от направления вращения роторов. При вращении ротора 2 против часовой стрелки, если смотреть со стороны камеры 9 пониженного давления, осуществляется уменьшение объема рабочих камер и перемещение газа из камеры 9 пониженного давления в камеру 10 повышенного давления, устройство в этом случае работает как компрессор. В винтовой канавке 3 процесс сжатия газа идет с недожатием.

При изменении направления вращения роторов на противоположное осуществляется увеличение объема рабочих камер и перемещение газа из камеры 10 повышенного давления в камеру 9 пониженного давления, устройство в этом случае работает как расширитель газа. В винтовой канавке 3 процесс расширения газа идет с недорасширением.

Для примера использования способа в создании объемных машин на фиг. 2 приведена конструкция такой машины. Машина имеет один ротор 1 и два ротора 2. Винтовая часть ротора 1 находится в зацеплении с винтовой частью каждого ротора 2. Винтовые части роторов 1 и 2 расположены в цилиндрических расточках корпуса 8. Роторы 1 и 2 имеют опорные 11 и опорно-упорные подшипники скольжения 12, а также синхронизирующие шестерни 13. Роторы 1 и 2 имеют по две винтовые части с противоположным направлением резьбы в них относительно друг друга. Между винтовыми частями роторов, разнесенных по длине роторов на конструктивное расстояние, образована камера 10 повышенного давления. Две камеры 9 пониженного давления образованы между винтовыми частями роторов и подшипниковыми камерами.

Каждая камера 9 пониженного давления имеет патрубок 14, а камера 10 повышенного давления имеет патрубок 15. По бокам и корпусам 5 камер пониженного давления крепятся крышки 16 и 17, через крышку 16 выводится вал 19 машины.

При работе машины в качестве компрессора воздух через патрубок 14 подводится в камеры 9 всасывания, откуда поступает в винтовые части роторов 1 и 2, сжимается в них и поступает в камеру 10 нагнетания. Из нее газ удаляется по патрубку 15. Привод компрессора осуществляется от двигателя через вал 19 компрессора.

При работе машины в качестве расширителя сжатый газ по патрубку 15 подводится в камеру 10 повышенного давления, откуда поступает в винтовые части роторов 1 и 2, расширяется в них и вытесняется в камеры 9 пониженного давления. Из камер 9 пониженного давления газ удаляется через патрубки 14. Работа расширения газа, совершаемая в винтовых частях роторов, передается через вал 19 расширителя внешнему потребителю механической энергии.

Газовые осевые и радиальные силы в машине уравновешены. Газовые осевые силы уравновешены благодаря наличию на каждом роторе двух винтовых частей, резьба каждой из которых противоположна по направлению резьбе другой винтовой части ротора.

Газовые радиальные силы уравновешены в силу их симметрии и одинаковой величины в каждой рабочей камере.

Конструктивное решение машины на основе роторов с двумя винтовыми частями на каждом роторе должно предусматривать возможность регулирования зазоров между витками 4 и стенками винтовой канавки 3 при сборке и ремонте машины. Вариантом такого решения является конструкция ротора 2 со смещаемой по углу винтовой частью (фиг. 3), которая выполняется на полом цилиндре 20, сажаемого на вал 18 ротора 2 со шпонкой 21. Угловое смещение обеспечивается тем, что прорезь 24 в теле цилиндра 20 делается шире, чем ширина шпонка 21, что позволяет с помощью набора прокладок 22, подгоняемых по форме и ширине, обеспечить угловое смещение полого цилиндра относительно вала 18 ротора 2. От продольного смещения цилиндр 20 удерживается стопорящейся гайкой 23. При высокой точности изготовления роторов регулирование зазоров осуществляется применением синхронизирующей зубчатой пары, у которой зубчатый венец имеет возможность углового смещения относительно ступицы, или применением разрезного венца зубчатого колеса, у которого часть зубчатого венца имеет возможность смещаться по углу относительно другой части [1, с. 189].

Источники информации
1. П. Е. Амосов и др. Винтовые компрессорные машины. Справочник. - Л.: Машиностроение, Ленинград. отделение, 1977.

2. А.К. Михайлов, В.П. Ворошилов. Компрессорные машины. Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

Способ изменения объема рабочих камер может быть использован в винтовых роторных машинах для сжатия и расширения газов. Изменение объема каждой рабочей камеры и перенос газа в ней осуществляется между любыми двумя соседними выступающими витками, движущимися в одну и ту же сторону с разными скоростями из-за разных углов наклона их винтовых линий. Изменение объема рабочей камеры осуществляется перемещением одного движущегося витка относительно другого движущегося витка с относительной скоростью перемещаемого витка в этом направлении, а перенос газа в рабочей камере происходит со скоростью сзади идущего витка. Увеличивается объемная производительность машин. 3 ил.

Способ изменения объема рабочих камер в объемных машинах, включающий наполнение газом открытых полостей, образование из полостей рабочих камер, изменение их объемов перемещением одного выступающего витка рабочей камеры относительно другого, раскрытие рабочих камер и вытеснение из них газа, отличающийся тем, что изменение объема каждой образованной рабочей камеры и перенос газа в ней при вращении роста осуществляется между любыми двумя соседними выступающими витками, движущимися в одну и ту же сторону с разными скоростями из-за разных углов наклона их винтовых линий, причем изменение объема рабочей камеры осуществляется перемещением одного движущегося витка относительно другого движущегося витка с относительной скоростью, меньшей чем собственная скорость перемещаемого витка в этом направлении, а перенос газа в рабочей камере происходит со скоростью сзади идущего витка.