РОТОРНЫЙ КОМПРЕССОР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК F04C18/00 

Изобретение относится к компрессорам со сложным движением ротора и может быть использовано для сжатия и подачи газообразного рабочего тела под давлением.

Известен компрессор, содержащий статор, состоящий из среднего корпуса с всасывающим окном и выпускным нагнетательным клапаном и двух боковых корпусов, ротор, располагающийся в выточке среднего корпуса на эксцентриковом валу и совершающий в ней планетарное движение [1]. Форма выточки в среднем корпусе представляет собой цилиндрическую поверхность с направляющей кривой в виде или трохоиды, или внешней огибающей семейства трохоид при их планетарном движении, аналогичном движению ротора. Рабочая поверхность ротора также представляет собой цилиндрическую поверхность. Эксцентриковый вал установлен в подшипниках, расположенных в боковых корпусах. Недостатком данной конструкции является то, что она имеет эксцентриковый вал, который подвержен действию изгибающих нагрузок, передача крутящего момента на этот вал осуществляется через шестеренчатую передачу, габариты роторно-поршневого компрессора зависят от передаточного отношения шестеренчатой передачи.

Задача изобретения заключается в создании компрессора с более высокой эффективностью работы при упрощении конструкции и уменьшении габаритов.

Сущность изобретения заключается в том, что роторный компрессор содержит статор с впускными окнами и выпускными окнами с нагнетательными клапанами, состоящий из среднего корпуса с внутренней цилиндрической расточкой, вал, установленный в подшипниках, и ротор. Отличие предлагаемого устройства от известного состоит в том, что росточки боковых корпусов расположены соосно внутренней цилиндрической поверхности среднего корпуса, ротор выполнен в виде диска, жестко установленного на ступице, которая установлена на валу с возможностью перемещения вдоль его оси, торцевые поверхности диска ротора представляют собой цилиндроид с двумя направляющими в виде пространственных замкнутых циклических гладких линий и прямолинейной образующей линией, проходящей под постоянным углом к плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, форма обращенных к торцевой поверхности диска ротора поверхностей боковых корпусов определяется огибающей теоретических положений торцевой поверхности диска ротора в подвижной и неподвижной цилиндрических системах координат, у которых оси аппликат z совпадает с осью вращения ротора, из условия:

где ϕ и R - полярные координаты неподвижной цилиндрической системы координат - статора,
λ и R - полярные координаты подвижной цилиндрической системы координат - ротора, начало отсчета углов ϕ и λ от образующей линии вершины профиля бокового корпуса и диска ротора соответственно,
ω - угол поворота подвижной системы координат вокруг оси аппликат,
A_T(ϕ) - функция, определяющая теоретическую траекторию движения ротора, то есть зависимость высоты подъема ротора от угла ϕ,
μ(λ,R) - функция, определяющая теоретическое положение точек поверхности диска ротора на угле λ и на расстоянии R от оси ротора,
z(ϕ,R) - функция, определяющая теоретическое значение аппликаты точек поверхности ротора на угле ϕ и на расстоянии R от оси ротора при повороте ротора на угол ω и сдвиге ротора на величину A_T(ϕ) вдоль оси аппликат,
в среднем корпусе статора выполнены дополнительные впускные окна, количество которых равно удвоенному числу периодов профиля ротора и статора, нагнетательный клапан расположен в среднем корпусе в зоне точки перегиба направляющей линии криволинейной поверхности бокового корпуса между впадиной и вершиной по ходу движения ротора, количество нагнетательных клапанов равно удвоенному числу периодов профиля ротора и статора.

Во втором варианте торцевые поверхности диска ротора представляют собой коноид с направляющими в виде пространственной замкнутой циклической гладкой линии и прямой линии, совпадающей с осью вращения ротора, причем образующей линией является прямая линия, проходящая через обе направляющие под постоянным углом к оси вращения ротора.

Технический результат, который получается от использования изобретения, заключается в повышении производительности компрессора за счет увеличения количества рабочих циклов до 2•n (удвоенного числа периодов профиля ротора и статора) за один оборот приводного вала, увеличении вытесняемого объема рабочего тела за один рабочий цикл до V•n, где V - объем одной рабочей полости компрессора, в экономии материалов из-за уменьшения габаритов.

Действие роторного компрессора основано на возможности осуществления одновременного кругового и возвратно-поступательного движения подвижного элемента (ротора), выполненного в виде диска, торцевые поверхности которого представляют собой две криволинейные поверхности, между двумя неподвижными рабочими поверхностями боковых корпусов, являющимися огибающими положений криволинейных поверхностей диска ротора при его движении по заданной траектории.

На фиг.1 показано изображение роторного компрессора (вид сбоку со снятой крышкой), на фиг. 2 показан продольный разрез роторного компрессора по сечению А-А, на фиг.3 - показана раскладка основных деталей роторного компрессора, на фиг. 4-8 - развертки направляющих линий рабочих поверхностей статора и ротора роторного компрессора в различных фазах работы.

Устройство содержит ротор, состоящий из диска 1 ротора, жестко закрепленного на ступице 2 ротора, статор, состоящий из среднего корпуса 3 и боковых корпусов 4 и 5, рабочие торцевые поверхности которых располагаются навстречу друг другу. При этом профили рабочих торцевых поверхностей боковых корпусов могут быть разными (общий случай) или одинаковыми при симметричной форме траектории движения ротора и зеркальном расположении рабочих профилей ротора, конгруэнтных между собой. Боковые корпуса 4 и 5 с целью их точной и жесткой установки связаны со средним корпусом 3 при помощи штифтов и других крепежных элементов и закрыты крышками 6 и 7. В среднем корпусе 3 и боковых корпусах 4 и 5 расположены каналы системы охлаждения роторного компрессора. Ступица ротора установлена на валу 8 (шлицевом, квадратном и т.д.) между боковыми корпусами 4 и 5 с возможностью перемещения вдоль оси вала 8 и передачи на нее с вала 8 крутящего момента. Вал 8 установлен в подшипниках 9 и 10, которые в свою очередь установлены в цилиндрических проточках боковых корпусов 4 и 5 соосно с внутренней цилиндрической поверхностью среднего корпуса 3. Диск 1 жестко закреплен на ступице 2 при помощи штифтов 11. На валу 8 крепится шкив 12 для привода ротора. Корпус 3 имеет впускные окна 13 и 14, через которые в рабочую полость роторного насоса всасывается газ, и выпускные окна 15 и 16 с нагнетательными клапанами 17, через которые сжатый газ нагнетается в трубопровод. Впускные окна 13 и 14 расположены в области вершин профилей боковых корпусов. Перекрытие окон 13 и 14 производится самим ротором при его движении.

К корпусу 3 статора крепятся впускные коллектора 18 (фиг.1) таким образом, что проходные сечения коллекторов совпадают с проходными сечениями впускных окон. Уплотнительные элементы 19 между цилиндрической поверхностью диска 1 и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 3 выполнены в форме полосы, подобной направляющей линии рабочей поверхности ротора. Уплотнительные элементы 20 между наружной цилиндрической поверхностью ступицы 2 и цилиндрической расточкой боковых корпусов 4 и 5 выполнены в форме полосы, подобной внутренней направляющей линии рабочей поверхности ротора. На выступах рабочей поверхности боковых корпусов 4 и 5 расположены уплотнения 21 (фиг. 4-8). Граница предельной конфигурации впускного окна определяется расположением соответствующих участков уплотнительного элемента 19 в момент крайнего положения осевого сдвига диска ротора (момент закрытия окон), в момент соприкосновения точек перегиба профиля диска ротора и профиля бокового корпуса при движении ротора из "нижнего" положения в "верхнее" (момент максимального раскрытия впускного окна) и в момент соприкосновения точек перегиба профиля диска ротора и профиля бокового корпуса при движении ротора из "верхнего" положения в "нижнее".

Устройство работает следующим образом. На фиг. 4 показано крайнее "верхнее" положение ротора. При этом в полостях 23, 25, 27 и 29 продолжается выдавливание в трубопровод через окна 15 с клапанами 17 сжатого газа, в полостях 30, 31, 32 и 33 закончился процесс впуска газа через окна 14. При вращении вала 8 ротор сдвигается, открывая тем самым окна 13 для впуска газа (фиг.5, 6) в полости 22, 24, 26 и 28 и сжимая газ в полостях 30, 31, 32 и 33 с одновременным выдавливанием его в нагнетательный трубопровод через выпускные окна 16 с клапанами 17. Вышеуказанный процесс протекает до достижения ротором крайнего нижнего положения, при этом полости 30, 31, 32, 33 становятся вспомогательными и появляются полости 34, 35, 36 и 37 (фиг.7), в которые при движении ротора "вверх" будет всасываться газ через окна 14 (фиг. 8). Перемещение ротора "вверх" аналогично описанному перемещению "вниз". Ротор поднимается до верхнего крайнего положения (фиг.4), после чего вышеописанный процесс повторяется.

Источник информации
1. Сухомлинов Р.М. Трохоидные роторные компрессоры. Харьков: Вища школа, 1975, стр.71, рис.35.

Изобретение может быть использовано для сжатия и подачи газообразного рабочего тела под давлением. Роторный компрессор содержит статор, состоящий из среднего и двух боковых корпусов с расточками, в которых расположен вал, установленный в подшипниках, и ротор, выполненный в виде диска, жестко закрепленного на ступице, которая установлена на валу с возможностью перемещения вдоль его оси и передачи на нее от вала крутящего момента. Действие роторного компрессора основано на образовании переменных объемов в полостях, образованных профилями ротора и статора при осуществлении одновременного кругового и возвратно-поступательного движения ротора, выполненного в виде диска, торцевые поверхности которого представляют собой две криволинейные поверхности, между двумя неподвижными рабочими поверхностями боковых корпусов. Повышается производительность компрессора, происходит экономия материалов из-за уменьшения габаритов. 2 с.п. ф-лы, 8 ил.

1. Роторный компрессор, содержащий статор с впускными окнами и выпускными окнами с нагнетательными клапанами, состоящий из среднего корпуса с внутренней цилиндрической расточкой, двух боковых корпусов с расточками, вал, установленный в подшипниках, и ротор, отличающийся тем, что расточки боковых корпусов расположены соосно с внутренней цилиндрической поверхностью среднего корпуса, ротор выполнен в виде диска, жестко установленного на ступице, которая установлена на валу с возможностью перемещения вдоль его оси, торцевые поверхности диска ротора представляют собой цилиндроид с двумя направляющими в виде пространственных замкнутых циклических гладких линий и прямолинейной образующей линией, проходящей под постоянным углом к плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, форма обращенных к торцевой поверхности диска поверхностей боковых корпусов определяется огибающей теоретических положений торцевой поверхности диска ротора в подвижной и неподвижной цилиндрических системах координат, у которых оси аппликат z совпадают с осью вращения ротора, из условия:

где ϕ и R - полярные координаты неподвижной цилиндрической системы координат - статора;
λ и R - полярные координаты подвижной цилиндрической системы координат - ротора, начало отсчета углов ϕ и λ от образующей линии вершины профиля бокового корпуса и диска ротора соответственно;
ω - угол поворота подвижной системы координат вокруг оси аппликат;
A_T(ϕ) - функция, определяющая теоретическую траекторию движения ротора, т. е. зависимость высоты подъема ротора от угла ϕ;
μ(λ,R) - функция, определяющая теоретическое положение точек поверхности диска ротора на угле λ и на расстоянии R от оси ротора;
z(ϕ,R) - функция, определяющая теоретическое значение аппликаты точек поверхности ротора на угле ϕ и на расстоянии R от оси ротора при повороте ротора на угол ω и сдвиге ротора на величину A_T(ϕ) вдоль оси аппликат,
в среднем корпусе статора выполнены дополнительные впускные окна, количество которых равно удвоенному числу периодов профиля ротора и статора, нагнетательный клапан расположен в среднем корпусе в зоне точки перегиба направляющей линии криволинейной поверхности бокового корпуса между впадиной и вершиной по ходу движения ротора, количество нагнетательных клапанов равно удвоенному числу периодов профиля ротора и статора. 2. Роторный компрессор, содержащий статор с впускными окнами и выпускными окнами с нагнетательными клапанами, состоящий из среднего корпуса с внутренней цилиндрической расточкой, двух боковых корпусов с расточками, вал, установленный в подшипниках, и ротор, отличающийся тем, что расточки боковых корпусов расположены соосно с внутренней цилиндрической поверхностью среднего корпуса, ротор выполнен в виде диска, жестко установленного на ступице, которая установлена на валу с возможностью перемещения вдоль его оси, торцевые поверхности диска ротора представляют собой коноид с направляющими в виде пространственной замкнутой циклической гладкой линии и прямой линии, совпадающей с осью вращения ротора, причем образующей линией является прямая линия, проходящая через обе направляющие под постоянным углом к оси вращения ротора, форма обращенных к торцевой поверхности диска поверхностей боковых корпусов определяется огибающей теоретических положений торцевой поверхности диска ротора в подвижной и неподвижной цилиндрических системах координат, у которых оси аппликат z совпадают с осью вращения ротора, из условия:

где ϕ и R - полярные координаты неподвижной цилиндрической системы координат - статора;
λ и R - полярные координаты подвижной цилиндрической системы координат - ротора, начало отсчета углов ϕ и λ от образующей линии вершины профиля бокового корпуса и диска ротора соответственно;
ω - угол поворота подвижной системы координат вокруг оси аппликат;
A_T(ϕ) - функция, определяющая теоретическую траекторию движения ротора, т. е. зависимость высоты подъема ротора от угла ϕ;
μ(λ,R) - функция, определяющая теоретическое положение точек поверхности диска ротора на угле λ и на расстоянии R от оси ротора;
z(ϕ,R) - функция, определяющая теоретическое значение аппликаты точек поверхности ротора на угле ϕ и на расстоянии R от оси ротора при повороте ротора на угол ω и сдвиге ротора на величину A_T(ϕ) вдоль оси аппликат,
в среднем корпусе статора выполнены дополнительные впускные окна, количество которых равно удвоенному числу периодов профиля ротора и статора, нагнетательный клапан расположен в среднем корпусе в зоне точки перегиба направляющей линии криволинейной поверхности бокового корпуса между впадиной и вершиной по ходу движения ротора, количество нагнетательных клапанов равно удвоенному числу периодов профиля ротора и статора.