РОТОРНЫЙ ПРЯМОЗУБЫЙ КОМПРЕССОР Российский патент 2002 года по МПК F04C18/08 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к роторным машинам, преимущественно компрессорам, и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, в холодильной технике, а также в химической и пищевой промышленности.

Известна роторная объемная машина, например, компрессор, который содержит корпус и расположенные в нем прямозубые роторы, по крайней мере, один из которых на зубьях имеет впадины, а другой - местные выступы. Однако в известных роторах величина зазора между расточкой корпуса и наружным диаметром ведомого ротора связана с площадью окна нагнетания: любое увеличение зазора ведет к резкому уменьшению площади окна нагнетания. В результате при обычных степенях повышения давления в ступени компрессора (πk = 2-4) удовлетворительная площадь окна нагнетания может быть получена только за счет малого зазора между наружными диаметрами ведомого ротора и корпуса. Но в этом случае малая площадь сечения канала, соединяющего впадину между зубьями ведущего ротора, в которой происходит сжатие, со впадиной ведомого ротора, не позволяет уровнять давление между ними. При увеличении же зазора - окно нагнетания на этих степенях повышение давления становится таким, что происходит резкое возрастание гидравлических потерь и существенно снижается КПД компрессора (А.С СССР 513160, кл. F 04 C 18/14, 1976 г.).

Наиболее близким к заявленному является роторный прямозубый (образующая поверхность зуба которого параллельна оси ротора) компрессор, содержащий корпус и размещенную в нем, по крайней мере, одну ступень с впускным и выпускным окнами, включающую ведущий и ведомый роторы, один из которых выполнен с зубьями и пазами, а другой - с впадинами и уплотнительными выступами, профили зубьев, пазов и впадин с уплотнительными выступами содержат участки кривых в параметрическом виде относительно осей Х, Y в прямоугольной системе координат, при этом профиль зуба ведущего ротора включает участки эпициклоиды, окружности и удлиненной эпициклоиды, профиль впадины ведомого ротора - участки удлиненной эпициклоиды и окружности (патент РФ 2110699, кл. F 04 C 18/08, 1998 г.).

При отсутствии значительных пульсаций давления КПД указанного компрессора недостаточно высок.

Описанные аналоги являются общими для всех вариантов изобретения. Задачей изобретения является повышение КПД компрессора путем оптимизации профилей рабочих поверхностей, консольного расположения роторов, выполнения на роторах проточки для избавления от защемленного объема, применения вихревого охлаждения компримируемого воздуха перед второй ступенью и профилирования окон всасывания и нагнетания.

Указанная задача решена в роторном прямозубом компрессоре, содержащем корпус и размещенную в нем, по крайней мере, одну ступень с впускным и выпускным окнами, включающую ведущий и ведомый роторы, один из которых выполнен с зубьями и пазами, а другой - с впадинами и уплотнительными выступами, профили зубьев, пазов и впадин с уплотнительными выступами содержат участки кривых в параметрическом виде относительно осей Х, Y в прямоугольной системе координат, при этом профиль зуба ведущего ротора включает участки эпициклоиды, окружности и удлиненной эпициклоиды, а профиль впадины ведомого ротора - участки удлиненной эпициклоиды и окружности, согласно изобретению профиль зуба ведущего ротора включает участки: эпициклоиды
x(t₁)=2Rsint₁+Rsin(a₁-2t₁),
y(t₁)=2Rcost₁-Rcos(a₁-2t₁),
t_1н≤t₁≤t_1к,
окружности
x(t₂)=0,4Rsint₂,
y(t₂)=0,4Rcost₂+R,
t_2н≤t₂≤t_2к,
удлиненной эпициклоиды
x(t₃)=-2Rsint₃ - 1,3Rsin(a₃-2t₃),
y(t₃)=2Rcost₃ - 1,3Rcos(a₃-2t₃),
t_3н≤t₃≤t_3к,
удлиненной эпициклоиды
x(t₄)=-2Rsint₄ - 1,3Rsin(a₄-2t₄),
y(t₄)=2Rcost₄ - 1,3Rcos(a₄-2t₄),
t_4н≤t₄≤t_4к,
удлиненной эпициклоиды
x(t₅)=-2Rsint₅ - 1,3Rsin(a₅-2t₅),
y(t₅)=2Rcost₅ - 1,3Rcos(a₅-2t₅),
t_5н≤t₅≤t_5к,
окружности
x(t₆)=-0,7Rsint₆,
y(t₆)=0,7Rcost₆,
t_6н≤t₆≤t_6к,
а профили впадин с уплотнительными выступами содержат участки: удлиненной эпициклоиды
x(t₇)=2Rsint₇+Rsin(a₇-2t₇),
y(t₇)=2Rcost₇ - Rcos(a₇-2t₇),
t_7н≤t₇≤t_7к,
удлиненной эпициклоиды
x(t₈)=2Rsint₈ - 1,4Rsin2t₈,
y(t₈)=2Rcost₈ - 1,4Rcos2t₈,
t_8н≤t₈≤t_8к,
окружности
x(t₉)=-0,4Rsint₉,
y(t₉)=-0,4Rcost₉+R,
t_9н≤t₉≤t_9к,
окружности
x(t₁₀)=1,3Rsint₁₀,
y(t₁₀)=1,3Rcost₁₀,
t_10н≤t₁₀≤t_10к,
где х, у - значения координат,
R - обкатываемый радиус роторной пары,
t₁...t₁₀ - параметры уравнений,
t_1н...t_10н, t_1к...t_10к - граничные значения параметров уравнений или углы, ограничивающие участки кривых,
а₁, а₃, а₄, а₅, а₇ - постоянные уравнений.

Кроме того, ведущий ротор имеет 3 или 4 зуба, а ведомый ротор соответственно, 3 или 4 впадины.

Кроме того, ротора расположены на валах консольно, при этом поверхность охлаждения камер максимальна, и отсутствуют утечки сжимаемого воздуха.

Кроме того, на торцевых поверхностях роторов выполнены канавки, заполненные мягким металлом или пластмассой.

Кроме того, на торце ведомого ротора имеются проточки для выпуска защемленного объема на нагнетание.

Кроме того, на всасывающем патрубке второй ступени установлена вихревая труба.

Кроме того, угол β закрытия всасывающего окна со стороны ведущего ротора и угол β закрытия всасывающего окна со стороны ведомого ротора лежит в пределах 14^°<β<20^°.
Сущность изобретения поясняется чертежами фиг.1-6, где на фиг. 1 изображен предлагаемый роторный прямозубый компрессор, вид сверху; на фиг. 2 показан продольный разрез А-А компрессора, на фиг. 3 - внешний вид компрессорного агрегата, на фиг. 4 - роторная пара, на фиг. 5 - разрез второй ступени компрессора с роторами, имеющими 3 зуба и 3 впадины, с установленной вихревой трубой охлаждения на основном патрубке всасывания, на фиг. 6 - впадина ведомого ротора 15(17) с проточкой 40 для выпуска защемленного объема.

Корпус роторного прямозубого компрессора выполнен из трех герметично отделенных корпусных узлов: центрального 1, камеры 2 первой ступени с рабочей полостью 3 и камеры 4 второй ступени с рабочей полостью 5. Компрессорные камеры 2 и 4 отделены от центрального корпуса 1 плитами 6 и 7, на которых закреплены опоры 8, 9, входящие в расточки центрального корпуса 1. В гнездах опор 8, 9 установлены подшипники 10, 11, в которых установлены ведущий вал 12 и ведомый вал 13, связанные синхронизирующей косозубой передачей 14 с мелким модулем (не больше 2 мм).

На концах валов 12 и 13, закреплены ведущие (ВЩ) 15 и 16 и ведомые (ВМ) 17 и 18 роторы. Ведущие роторы 15 и 16 имеют зубья и за ними по ходу вращения профильные пазы. Ведомые роторы 17, 18 имеют впадины с уплотнительными продольными выступами. Поверхности роторов могут быть покрыты антифрикционными материалами. Роторы могут быть выполнены из металлокерамики или пластмасс. Для получения возможности регулирования взаимного расположения роторов 15, 16, 17, 18 друг относительно друга, и регулирования боковых зазоров, предусмотрено цанговое крепление роторов 15, 16. С наружных сторон камеры 2 и 4 закрываются крышками 20, 21. В крышках 20, 21 выполнены выпускные окна 24, 25. Крышки 20, 21 могут быть сменными с различными сечениями выпускных окон.

Компрессор может содержать дополнительные выпускные окна (на фиг. не показано) с противоположной торцовой стороны роторной пары, расположенные симметрично первым относительно плоскости, перпендикулярной оси вращения.

Кроме этого в корпусе выполнены всасывающие 29, 30 патрубки.

В двухступенчатом компрессоре роторы 15 и 17 смещены относительно роторов 16 и 18 на 90^o в направлении их вращения. Компрессор фиг.3 может быть снабжен теплообменником 31, установленном в магистрали 32, соединяющей нагнетательный патрубок 28 первой ступени с всасывающим патрубком 30 второй ступени. Перед теплообменником 31 расположен вентилятор 33, закрепленный на валу электродвигателя 34. В качестве привода компрессора использован электродвигатель 34, соединенный с валом 12 через муфту 35. На входе в компрессор установлен фильтр 36.

Ведущие 15, 16 и ведомые 17, 18 роторы могут быть выполнены из материала с малым коэффициентом линейного расширения, в частности, из керамики или металлокерамики.

Согласно фиг. 4 ведущий ротор 15(16) выполнен с зубьями и пазами, а ведомый 17(18) с впадинами и уплотнительными выступами. Профили зубьев, пазов и впадин с уплотнительными выступами содержат участки кривых в параметрическом виде относительно осей Х, Y в прямоугольной системе координат. Профиль зуба ведущего ротора включает участки: эпициклоиды
x(t₁)=2Rsint₁+Rsin(a₁-2t₁),
y(t₁)=2Rcost₁+Rcos(a₁-2t₁),
t_1н≤t₁≤t_1к,
окружности
x(t₂)=0,4Rsint₂,
y(t₂)=0,4Rcost₂+R,
t_2н≤t₂≤t_2к,
удлиненной эпициклоиды
x(t₃)=-2Rsint₃ - 1,3Rsin(a₃-2t₃),
y(t₃)=2Rcost₃ - 1,3Rcos(a₃-2t₃),
t_3н≤t₃≤t_3к,
удлиненной эпициклоиды
x(t₄)=-2Rsint₄ - 1,3Rsin(a₄-2t₄),
y(t₄)=2Rcost₄ - 1,3Rcos(a₄-2t₄),
t_4н≤t₄≤t_4к,
удлиненной эпициклоиды
x(t₅)=-2Rsint₅ - 1,3Rsin(a₅-2t₅),
y(t₅)=2Rcost₅ - 1,3Rcos(a₅-2t₅),
t_5н≤t₅≤t_5к,
окружности
x(t₆)=-0,7Rsint₆
y(t₆)=0,7Rcost₆,
t_6н≤t₆≤t_6к,
а профили впадин с уплотнительными выступами ведомого ротора содержат участки: удлиненной эпициклоиды
x(t₇)=2Rsint₇+Rsin(a₇-2t₇),
y(t₇)=2Rcost₇ - Rcos(a₇-2t₇),
t_7н≤t₇≤t_7к,
удлиненной эпициклоиды
x(t₈)=2Rsint₈ - 1,4Rsin2t₈,
y(t₈)=2Rcost₈ - 1,4Rcos2t₈,
t_8н≤t₈≤t_8к,
окружности
x(t₉)=-0,4Rsint₉,
y(t₉)=-0,4Rcost₉+R,
t_9н≤t₉≤t_9к,
окружности
x(t₁₀)=1,3Rsint₁₀,
y(t₁₀)=1,3Rcost₁₀,
t_10н≤t₁₀≤t_10к,
где х, у - значения координат,
R - обкатываемый радиус роторной пары,
t₁...t₁₀ - параметры уравнений,
t_1н. . . t_10н, t_1к...t_10к - граничные значения параметров уравнений или углы, ограничивающие участки кривых,
а₁, а₃, а₄, а₅, а₇ - постоянные уравнений.

Роторный компрессор работает следующим образом. Атмосферный воздух подается через всасывающие патрубки 29, 30 в рабочие полости 3, 5 компрессорных камер 2, 4 первой и второй ступеней, попадает в полости между зубьями ведущих 15, 16 и ведомых 17, 18 роторов, где происходит его сжатие с последующей подачей на нагнетательные патрубки 27, 28. Для получения возможности регулирования взаимного расположения роторов 15, 16, 17, 18 относительно друг друга и регулирования боковых зазоров предусмотрено цанговое крепление роторов 15, 16. Степень сжатия компрессора определяется площадью сечения выпускного окна 24 и 25 путем изменения величины угла γ.
В двухступенчатом компрессоре ведомый 18 и ведущий 16 роторы имеют три впадины и три зуба соответственно. Нагнетаемый воздух из первой ступени охлаждают в теплообменнике 31 вентилятором 33. На входном патрубке 30 второй ступени установлена вихревая труба 38, охлаждающая дополнительную порцию всасываемого воздуха во вторую ступень, которая подмешивается к основному потоку воздуха и охлаждает его.

Предлагаемый компрессор предназначен для работы в составе различного оборудования, использующего сжатый воздух, не содержащий смазочных масел. Отсутствие масел в сжатом воздухе позволяет использовать компрессор для получения чистого кислорода в медицине, пищевой и химической промышленности.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к роторным машинам, преимущественно компрессорам, и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, в холодильной технике, а также в химической и пищевой промышленности. Роторный прямозубый компрессор содержит установленные в корпусе ведущий и ведомый роторы, профили рабочих поверхностей которых содержат участки кривых. Изобретение содержит уравнения этих кривых в параметрическом виде относительно осей Х, Y в прямоугольной системе координат. Изобретение также включает описание профиля выпускного окна, расположенного с торцевой стороны роторной пары, и описание проточки на ведомом роторе для выпуска сжатого газа из защемленного объема. Повышается КПД компрессора путем оптимизации профилей рабочих поверхностей, консольного расположения роторов, выполнения на роторах проточки для избавления от защемленного объема, применения вихревой трубы на второй ступени для охлаждения сжимаемого воздуха и профилирования окон всасывания и нагнетания. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Роторный прямозубый компрессор, содержащий корпус и размещенную в нем, по крайней мере, одну ступень с впускным и выпускным окнами, включающую ведущий и ведомый роторы, один из которых выполнен с зубьями и пазами, а другой - с впадинами и уплотнительными выступами, профили зубьев, пазов и впадин с уплотнительными выступами содержат участки кривых в параметрическом виде относительно осей Х, Y в прямоугольной системе координат, при этом профиль зуба ведущего ротора включает участки эпициклоиды, окружности и удлиненной эпициклоиды, а профиль впадины ведомого ротора - участки удлиненной эпициклоиды и окружности, отличающийся тем, что профиль зуба ведущего ротора включает участки: эпициклоиды
x(t₁) = 2R sin t₁ + R sin (a₁-2t₁),
y(t₁) = 2R cos t₁ - R cos (a₁-2t₁),
t_1н≤t₁≤t_1к,
окружности
x(t₂) = 0,4R sin t₂,
y(t₂) = 0,4R cos t₂ + R,
t_2н≤t₂≤t_2к,
удлиненной эпициклоиды
x(t₃) = -2R sin t₃ - 1,3R sin (a₃-2t₃),
y(t₃) = 2R cos t₃ - 1,3R cos (a₃-2t₃),
t_3н≤t₃≤t_3к,
удлиненной эпициклоиды
x(t₄) = -2R sin t₄ - 1,3R sin (a₄-2t₄),
y(t₄) = 2R cos t₄ - 1,3R cos (a₄-2t₄),
t_4н≤t₄≤t_4к,
удлиненной эпициклоиды
x(t₅) = -2R sin t₅ - 1,3R sin (a₅-2t₅),
y(t₅) = 2R cos t₅ - 1,3R cos (a₅-2t₅),
t_5н≤t₅≤t_5к,
окружности
x(t₆) = -0,7R sin t₆,
y(t₆) = 0,7R cos t₆,
t_6н≤t₆≤t_6к,
а профили впадин с уплотнительными выступами ведомого ротора содержат участки: удлиненной эпициклоиды
x(t₇) = 2R sin t₇ + R sin (a₇-2t₇),
y(t₇) = 2R cos t₇ - R cos (a₇-2t₇),
t_7н≤t₇≤t_7к,
удлиненной эпициклоиды
x(t₈) = 2R sin t₈ - 1,4R sin 2t₈,
y(t₈) = 2R cos t₈ - 1,4R cos 2t₈,
t_8н≤t₈≤t_8к,
- окружности
x(t₉) = -0,4R sin t₉,
y(t₉) = -0,4R cos t₉ + R,
t_9н≤t₉≤t_9к,
окружности
x(t₁₀) = 1,3R sin t₁₀,
y(t₁₀) = 1,3R cos t₁₀,
t_10н≤t₁₀≤t_10к,
где х, у - значения координат,
R - обкатываемый радиус роторной пары,
t₁. . . t₁₀ - параметры уравнений,
t_1н. . . t_10н, t_1к. . . t_10к - граничные значения параметров уравнений или углы, ограничивающие участки кривых,
а₁, а₃, а₄, а₅, а₇ - постоянные уравнений. 2. Компрессор по п. 1, отличающийся тем, что ведущий ротор имеет 3 или 4 зуба, а ведомый ротор соответственно 3 или 4 впадины. 3. Компрессор по любому из п. 1 или 2, отличающийся тем, что роторы расположены на валах консольно, при этом поверхность охлаждения камер максимальна, и отсутствуют утечки сжимаемого воздуха. 4. Компрессор по любому из п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что на торцевых поверхностях роторов выполнены канавки, заполненные мягким металлом или пластмассой. 5. Компрессор по любому из п. 1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что на торце ведомого ротора имеются проточки для выпуска защемленного объема на нагнетание. 6. Компрессор по любому из пп. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что на всасывающем патрубке второй ступени установлена вихревая труба. 7. Компрессор по любому из пп. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающийся тем, что угол β закрытия всасывающего окна со стороны ведущего ротора и угол β закрытия всасывающего окна со стороны ведомого ротора лежит в пределах 14^°<β<20^°.