РАБОЧИЕ ЭЛЕМЕНТЫ СПИРАЛЬНОЙ МАШИНЫ Российский патент 2002 года по МПК F04C18/04 

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 А, 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.

Известна также 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 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).

Недостатком известных рабочих элементов являются ухудшение энергетических показателей 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.

Наиболее близким аналогом являются 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 нагнетания, образован по меньшей мере одной выпуклой и/или вогнутой кривой, сопряженной с соответствующими эвольвентами, расположен между продолжением его эвольвент, а концевой участок одного рабочего элемента выполнен огибающим концевой участок рабочего элемента (RU, 2149282, 1998, F 04 C 18/04, 27/00).

Недостатком известных рабочих элементов является разгрузка объема повторного расширения в конце фазы нагнетания в одну из предыдущих полостей сжатия с меньшим давлением и, как следствие, ухудшение энергетических показателей спиральной машины.

Задачей предложения является повышение энергетических показателей спиральной машины за счет исключения разгрузки объема повторного расширения в одну из предыдущих полостей сжатия и обеспечения полного вытеснения газа в окно нагнетания, а также увеличение площади окна нагнетания, что снижает энергетические потери при вытеснении нагнетаемого газа.

Техническое решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в рабочих элементах 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, при этом контур сечения концевого участка первого рабочего элемента, выполненный совокупностью кривых, соединяющих внешнюю и внутреннюю эвольвенты, расположен между продолжениями его эвольвент, а концевой участок второго элемента сопряжен с концевым участком первого рабочего элемента, концевой участок второго рабочего элемента выходит за пределы продолжения его внутренней эвольвенты.

Кроме того, задача решается тем, что контур сечения концевого участка второго рабочего элемента выполнен совокупностью кривых, включающих вогнутую кривую, выполненную по дуге окружности, сопряженной с выпуклой кривой первого рабочего элемента, соединенной одной стороной с внутренней эвольвентой, а другой стороной с касательной к окружности, в свою очередь соединенной с внешней 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 концевых участков рабочих элементов спиральной машины;
на фиг.4 представлена теоретическая индикаторная диаграмма процесса сжатия одной полости спиральной машины.

Первый, например неподвижный рабочий элемент 1, показанный на фиг.1, находится в зацеплении со вторым, например подвижным элементом 2, при этом подвижный спиральный элемент 2 совершает орбитальное движение с эксцентриситетом ε относительно неподвижного элемента 1, 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 не может вращаться вокруг своей оси, а может совершать только орбитальное движение по окружности радиусом ε вокруг оси неподвижного элемента 1.

На фиг.2 показаны взаимные положения элементов 1 и 2 при перемещении подвижного элемента 2 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.

Неподвижный рабочий элемент 1 спиральной машины, показанный на фиг.3, содержит внешнюю эвольвенту 8, плавно переходящую в выпуклую кривую 11, соединенную с касательной 10 к внутренней эвольвенте 9.

Эвольвенты 8 и 9 расположены друг относительно друга на расстоянии, равном толщине спирали δ, и сдвинуты друг относительно друга на угол β.
В качестве примера показано построение контура сечения концевого участка неподвижного элемента 1 с выпуклой кривой 11 в виде дуги окружности радиуса

где х_А, у_А - координаты точки А начала раскрутки внешней эвольвенты 8;
х_С, у_С - координаты точки С, лежащей на пересечении касательных к внешней и внутренней эвольвентам в точках А и В соответственно;
α₁ - угол начала раскрутки внешней эвольвенты;
β - угол сдвига внутренней эвольвенты относительно внешней эвольвенты, определяемый по точкам пересечения внутренней эвольвенты 9 с основной окружностью радиуса r₀;
α₂ - угол начала раскрутки внутренней эвольвенты;
и касательной 10 к внутренней эвольвенте 9, описываемой уравнением:
x = (y-y_B)/tg(α₂+β)+x_B,
где х_В, у_В - координаты точки В начала раскрутки внутренней спирали.

Подвижный рабочий элемент 2 спиральной машины, показанный на фиг.3, содержит внутреннюю эвольвенту 14, плавно переходящую в кривую 12, являющуюся сопряженной по отношению к выпуклой кривой 11 неподвижного рабочего элемента 1, при этом кривая 12 в свою очередь плавно переходит в прямую 13, ограничивающую внешнюю эвольвенту 15.

В качестве примера показано построение контура сечения концевого участка подвижного рабочего элемента 2 вогнутой кривой 12, являющейся сопряженной по отношению к выпуклой кривой 11 неподвижного рабочего элементы, в виде дуги окружности радиуса
R = ε+r,
где ε - радиус орбитального движения подвижного рабочего элемента относительно неподвижного (эксцентриситет); сопряженной в точке F с касательной 13 к окружности, пересекающейся в точке G с внешней эвольвентой 15.

Прямая FG описывается уравнением:

где x_F, y_F - соответственно координаты х и у точки F сопряжения окружности 12 и прямой 13.

Рассмотрение представленной на фиг.4 теоретической индикаторной диаграммы процесса сжатия спиральной машины показывает, что экономия мощности второго аналога по сравнению с первым будет соответствовать отношению площадей 17-18-19-20-17 и 16-17-20-22-24-16, экономия наиболее близкого аналога ко второму аналогу равна отношению площадей 21-22-23-21 и 16-18-19-22-24-16, а отношение площади 21-23-24-25-21 к площади 16-18-19-21-23-24-16 будет соответствовать экономии мощности у рабочих элементов, выполненных в соответствии с данным предложением по отношению к наиболее близкому аналогу, и составит в зависимости от режима работы спиральной машины от 10 до 15%.

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

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

Как следует из представленных на фиг.2 последовательных положений рабочих элементов через 90^o перемещения подвижной спирали относительно неподвижной, необходимо избегать как преждевременного размыкания линейных контактов между прилегающими к стороне нагнетания концевыми участками подвижной и неподвижной спиралей, так и образования объема повторного расширения в конце фазы нагнетания. Также следует исключить перепуск сжатого газа в предыдущую полость сжатия.

В предлагаемых рабочих элементах концевой участок первого рабочего элемента, выполненный совокупностью кривых, соединяющих внешнюю и внутреннюю эвольвенты, не выходит за пределы продолжения его эвольвент, а концевой участок второго рабочего элемента, сформированный совокупностью кривых, сопряженных с соответствующими кривыми концевого участка первого рабочего элемента, находится за пределами продолжения его внутренней эвольвенты, при этом первый и второй рабочие элементы не идентичны. Кроме того, утолщенный концевой участок подвижного рабочего элемента перекрывает значительную площадь, что позволяет существенно увеличить площадь окна нагнетания и тем самым снизить потери мощности на дросселирование сжимаемого газа, повысив энергетические показатели компрессора. Как следует из представленной на фиг.4 теоретической индикаторной диаграммы, настоящее изобретение позволяет исключить разгрузку объема повторного расширения в одну из предыдущих полостей сжатия и обеспечить полное вытеснение газа в окно нагнетания.

Рабочие элементы предназначены для использования в спиральных машинах, применяемых, например, в компрессоростроении. Один из рабочих элементов выполнен с возможностью движения с эксцентриситетом относительно другого рабочего элемента. Внутренний и внешний контуры продольного сечения каждого рабочего элемента выполнены в виде эвольвент. Контур сечения концевого участка первого рабочего элемента, выполненный совокупностью кривых, соединяющих внешнюю и внутреннюю эвольвенты, расположен между продолжениями его эвольвент. Концевой участок второго рабочего элемента сопряжен с концевым участком первого рабочего элемента. Концевой участок второго рабочего элемента выходит за пределы продолжения его внутренней эвольвенты. Это позволяет обеспечить полное вытеснение газа в окно нагнетания и существенно увеличить площадь окна нагнетания. 1 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, при этом контур сечения концевого участка первого рабочего элемента, выполненный совокупностью кривых, соединяющих внешнюю и внутреннюю эвольвенты, расположен между продолжениями его эвольвент, а концевой участок второго рабочего элемента сопряжен с концевым участком первого рабочего элемента, отличающиеся тем, что концевой участок второго рабочего элемента выходит за пределы продолжения его внутренней эвольвенты. 2. Рабочие элементы по п. 1, отличающиеся тем, что контур сечения концевого участка второго рабочего элемента выполнен совокупностью кривых, включающих вогнутую кривую, выполненную по дуге окружности, сопряженной с выпуклой кривой первого рабочего элемента, соединенной одной стороной с внутренней эвольвентой, а другой стороной - с касательной к окружности, в свою очередь, соединенной с внешней эвольвентой.