РОТОРНО-ПОРШНЕВАЯ МАШИНА Российский патент 2004 года по МПК F01B13/06 

Изобретение относится к энергетическим машинам и может быть использовано в качестве компрессоров, насосов и насосов-компрессоров для перекачки газожидкостных смесей.

По кинематической структуре машина относится к классу кривошипно-кулисных механизмов, где кривошипом служит полумуфта с установленными в ней пальцами с поршнями, а ползуном - поршни, передающие движение планшайбам, выполняющим роль кулис.

Известна роторная машина объемного вытеснения (SU пат. №1800104, МПК F 04 В 29/00, F 01 В 13/06, опубл. 07.03.93 г.), содержащая корпус, неподвижную ось, жестко закрепленную в корпусе, на свободном конце которой с возможностью вращения установлен блок цилиндров с поршнями, приводной вал, соединенный с планшайбой и установленный на подшипниках в крышке со смещением относительно центра корпуса, шатуны, соединяющие планшайбу с поршнями, синхронизаторы, выполненные в виде дополнительных шатунов, один конец которого шарнирно соединен с планшайбой, а второй также шарнирно - с блоком цилиндров, каналы подвода и отвода рабочей среды, выполненные в теле оси, соединенные с полостями цилиндров посредством отверстий, выполненных в промежуточной втулке.

Недостатком этой машины является низкий коэффициент объемного использования машины из-за оппозитного расположения поршней.

Известна роторно-поршневая машина Алеши (RU пат. №2125163, МПК⁷ F 01 В 13/06, F 04 B 1/22 опубл. 20.01.99), содержащая корпус, крышку, подшипники, блок цилиндров с радиально расположенными цилиндрами, две планшайбы, оси вращения которых смещены относительно оси вращения блока цилиндров, оппозитные поршни равных масс и равноудаленных от центра вращения, каждый из которых шарнирно соединен в центре его массы пальцем с блоком цилиндров и одной из планшайб.

В этой роторно-поршневой машине, наиболее близкой к предлагаемой, вследствие оппозитного расположения поршней с равноудаленностью от центра вращения блока цилиндров, приводящей к увеличению габаритов и массе машины при заданной производительности, получают низкое значение коэффициента объемного использования машины, а из-за большого количества подшипников (четыре подшипника планшайб и два подшипника блока цилиндров) увеличиваются механические потери на трение в подшипниковых узлах и в парах трения по торцевым поверхностям блока цилиндров и планшайб, кроме того, одностороннее сжатие ограничивает возможность повышения производительности машины.

Предлагаемым изобретением решается задача увеличения производительности на единицу объема машины и повышения КПД машины за счет снижения механических потерь.

Для достижения указанного технического результата в роторно-поршневой машине, содержащей корпус, крышку, подшипники, блок цилиндров с радиально расположенными цилиндрами, две планшайбы, оси вращения которых смещены относительно оси вращения блока цилиндров, оппозитные поршни равных масс и равноудаленных от центра вращения, каждый из которых шарнирно соединен в центре его массы пальцем с блоком цилиндров и одной из планшайб, две планшайбы, образующие пару, снабжены одна выступом, другая - впадиной, которые входят друг в друга, образуя замкнутые полости, пальцы с оппозитными поршнями шарнирно установлены в отверстиях полумуфты, а оси вращения планшайб смещены в одну сторону относительно оси вращения вала привода. Кроме того в теле выступа установлены клапаны, а каждая внутренняя полость выступа соединена каналом с источником высокого давления.

Признаки, отличающие предлагаемую роторно-поршневую машину от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, характеризуют снабжение двух планшайб, образующих пару, одну - выступом, другую - впадиной, которые входят друг в друга, образуя замкнутые полости, наличие пальцев с оппозитными поршнями, шарнирно установленными в отверстиях полумуфты, смещение осей вращения планшайб в одну сторону относительно оси вращения вала привода, а в теле выступа установление клапанов и соединение каждой внутренней полости выступа с источником высокого давления.

Наличие этих признаков позволяет увеличить производительность машины на единицу ее объема в несколько раз за счет более рациональной схемы движения рабочих органов выступов и впадин планшайб по окружности по сравнению с прототипом, где описываемый рабочий объем определяется поступательным перемещением поршня (фиг. 6), а также за счет организации двухстороннего сжатия.

Схема движения рабочих органов предлагаемой машины позволяет при сохранении качества прототипа, заключающаяся в симметричности действия радиальной и осевых составляющих газовых сил и моментов, действующих на подшипники, ввести еще одно новое качество - симметричность тангенциальных составляющих газовых сил, действующих на обе планшайбы в разные стороны на всем протяжении процессов сжатия и нагнетания.

Выполнение механизма движения (кривошипа) в виде закрепленной на приводном валу полумуфты, пальцев с оппозитными поршнями, шарнирно установленными в отверстиях полумуфты, когда поршни выполняют роль ползунов, передающих крутящие моменты позволяет:

- снизить механические потери на трение в результате уменьшения количества подшипников и планшайб, исключая контакт торцевых поверхностей планшайб о блок цилиндров, как это выполнено в прототипе, то есть повысить коэффициент полезного действия машины;

- использовать предлагаемую машину в качестве компрессора, способного компримировать чистый газ без содержания масла благодаря отделению механизма движения от рабочих органов;

- повысить коэффициент наполнения рабочих полостей машины за счет выполнения впускных и выпускных отверстий больших размеров и расположения их в разных удаленных друг от друга частях машины, а выпускное отверстие, выполненное на выходе из машины, герметизировать на малом диаметре.

Новые свойства предлагаемой машины достигнуты с сохранением основных качеств прототипа;

- динамической сбалансированности всех звеньев машины;

- уравновешенности радиальных и осевых составляющих газовых и сил и моментов;

- организации бесконтактного перемещения поршней в пазах планшайб предлагаемой машины.

Предлагаемая роторно-поршневая машина может конкурировать по массогабаритным параметрам, коэффициенту полезного действия, надежности, быстроходности и простоте конструкции с другими типами роторных машин объемного сжатия, например с винтовыми и спиральными компрессорами,

Предлагаемая роторно-поршневая машина иллюстрируется фиг.1-6.

На фиг.1 показан продольный разрез роторно-поршневой машины по линии А-А на фиг.2 согласно изобретению.

На фиг.2 - поперечный разрез по линии Б-Б на фиг.1 согласно изобретению.

На фиг.3 - продольный разрез по линии В-В на фиг.2 согласно изобретению.

На фиг.4 - поперечный разрез по линии Г-Г на фиг.1 согласно изобретению.

На фиг.5 - поперечный разрез по линии Д-Д на фиг.1 согласно изобретению.

На фиг.6 - схема движения двух соосно расположенных планшайб.

Роторно-поршневая машина содержит корпус 1 (фиг.1), закрепленный в нем подшипник 2, крышку 3, крышку 4, наружную планшайбу, состоящую из корпуса 5, установленного в подшипнике 2, кронштейна 6, закрепленного на хвостовике корпуса 5, крышки 7, подшипников 8 и 9, двух выступов 10 и 11, между которыми образуется впадина (фиг.2) и которые закреплены на корпусе 5 и крышке 7 винтами 12, и 13 (фиг.3), впускных клапанов 14 и 15 (фиг.2), установленных попарно на боковых поверхностях каждого выступа 10 и 11, шарнирно на штифтах 16 и 17; внутреннюю планшайбу, состоящую из ротора 18 (фиг.1, 2), на хвостовике которого закреплен кронштейн 19 (фиг.1), двух выступов 20 и 21 (фиг.2), закрепленных на роторе18 с помощью втулок 22 и 23 (фиг.1, 2), накладки 24 (фиг. 1), закрепленной на роторе 18 винтами 25 и 26 (фиг.3), крышек 27 и 28 (фиг.1), установленных на торце каждого выступа 20 и 21 и скрепленных с накладкой 24 винтами 29 и 30, выпускных клапанов 31 и 32 (фиг.2), установленных попарно во внутренних полостях каждого выступа 20 и 21 шарнирно на штифтах 33 и 34, оппозитные поршни 35 и 36 (фиг.1, 4), установленные соответственно в пазах 37 и 38 кронштейнов 6 и 19 с возможностью перемещения каждого поршня в пазу в радиальном направлении; пальцев 39 и 40 (фиг.1, 5), каждый из которых установлен соответственно в поршнях 35 и 36 в центре их масс; полумуфту 41 (фиг.1), в отверстия которой шарнирно установлены пальцы 39 и 40, вал привода 42.

Вал привода 42, полумуфта 41, пальцы 39 и 40 (фиг.1, 6), поршни 35 и 36 вращаются вокруг оси O₁. Ось вращения О₂ наружной и внутренней планшайб, установленных соосно, смещена относительно оси вращения O₁ на величину эксцентриситета "е" (фиг.1, 4, 6).

Наружная и внутренняя планшайбы образуют пару и входят друг в друга, образуя замкнутые полости.

На крышке 3 (фиг.1) установлено уплотнение 43.

Для входа газа на корпусе 1 на боковых поверхностях выступов 10 и 11 наружной планшайбы выполнены отверстия 44, отверстия 45, 46, 47 и 48 (фиг.2, стрелка Е обозначает направление подачи всасываемого газа).

Для выхода газа из рабочих полостей на боковых поверхностях выступов 20 и 21 выполнены отверстия 49, 50, 51 и 52, а также каналы отвода газа 53, 54 во втулках 22 и 23 (фиг.2) и канал 55 - в роторе 18 (фиг.1, 2, стрелка Ж обозначает направление подачи нагнетаемого газа).

Таким образом, каждая внутренняя полость выступа 20 и 21 соединена каналом с источником высокого давления.

Для подачи масла на смазку подшипников 2, 8 и 9 к поршням 35 и 36 выполнены отверстия 56, 57, 58, 59 и 60 (фиг.1, стрелка И обозначает направление подачи масла).

Возможны другие варианты выполнения окон всасывания и нагнетания. Например, окно нагнетания может быть выполнено в виде выпускных отверстий, расположенных на торцевой поверхности вращающегося корпуса 5 или на торцевой поверхности крышки 7 (не показаны).

Для обеспечения подачи масла под давлением в карманы 67, 68, 69 и 70, выполненные на боковых поверхностях поршней 35 и 36 (фиг.1, 4), в кронштейнах 6 и 19 выполнены пазы 61 и 62, в которые входят хвостовики пальцев 39 и 40, образуя в сборе маслонасосы двойного действия, полости которых соединены каналами 63 и 64 с каналом подвода масла 58 и каналами 65 и 66 - с каналом подвода масла 60.

Каждый карман 67, 68, 69 и 70 поршней 35 и 36 соединен с одной из полостей маслонасосов каналами, выполненных в теле пальцев 39 и 40 (фиг.4, 5). Например, карман 69 поршня 36 соединен с полостью "а" маслонасоса, выполненного в теле кронштейна 19, каналами 71,72 (фиг.5) и каналом 73 (фиг.4), а карман 70 соединен с полостью "б" маслонасоса каналами 74, 75 (фиг.5) и каналом 76 (фиг.4). Карманы 67 и 68 поршня 35 имеют аналогичные соединения, каждый с одной полостью маслонасоса, выполненного в теле кронштейна 6.

Роторно-поршневая машина работает следующим образом.

Вал привода 42, полумуфта 41 совместно с пальцами 39,40 и поршнями 35,36 (фиг. 1) вращаются с постоянной угловой скоростью ω₁ вокруг оси О₁ (фиг.6) и передают крутящий момент наружной планшайбе (детали: 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) и внутренней планшайбе (детали: 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34) (фиг.1, 2). Крутящий момент передается через пальцы 39 и 40 и боковые поверхности оппозитных поршней 35 и 36 (фиг.1, 4, 6), каждый из которых совершает относительное радиальное перемещение в пазах 37 и 38 при вращении на величину удвоенного эксцентриситета "2е" за один оборот.

Полумуфта 41, с шарнирно установленными в ее отверстиях пальцами 39 и 40 с поршнями 35,36 выполняет роль кривошипа (фиг.6). Поршни 35 и 36 выполняют роль ползунов. Кулисной частью механизма являются две планшайбы: наружная и внутренняя, соосно расположенные и вращающиеся вокруг оси О₂.

Наружная и внутренняя планшайбы вращаются в течение одного оборота с переменными угловыми скоростями ω₂ и ω₃ (фиг.6) в связи с тем, что точка приложения окружной силы, действующей от поршней на кронштейны, перемещается за один оборот по радиусу относительно оси вращения планшайб, то есть изменяется расстояние О₂-О₃. Угловые скорости и ускорения каждой планшайбы относительно друг друга имеют противоположные знаки в любом их положении по окружности. При ускорении одной из планшайб другая замедляется. В результате такого движения выступы планшайб за один оборот сближаются боковыми поверхностями и расходятся на максимальное расстояние, которое зависит от выбранных значений эксцентриситета "е" и радиуса "R". При этом изменяются объемы замкнутых полостей.

Например, при ускоренном движении внутренней планшайбы "ПВ" и замедленном движении наружной планшайбы "ПН" (фиг.2, 6) полости 77 увеличивают свой объем, где происходит процесс всасывания газа, а полости 78 уменьшают свой объем, где происходят процессы сжатия и нагнетания газа. При повороте полумуфты 41 (фиг.1) вокруг оси O₁ (фиг.6) на угол ϕ=90° внутренняя планшайба "ПВ" повернется вокруг оси O₂ на угол α_пв>90°, а наружная планшайба "ПН" - на угол α_пн<90°. Таким образом, за один оборот в каждой полости происходит полный цикл: всасывание, сжатие и нагнетание газа.

В ходе вращения механизма в сборе поршни совершают качательное движение, вращаясь вокруг оси О₃, совмещенной с центром масс поршня.

Всасывание газа происходит через впускные клапаны 14 и 15 (фиг.2), расположенные на боковых поверхностях каждого выступа 10 и 11 наружной планшайбы, нагнетание газа происходит через выпускные клапаны 31 и 32, расположенные во внутренней полости каждого выступа 20 и 21 внутренней планшайбы.

Изобретение иллюстрируется конструкцией роторно-поршневого компрессора с впрыском масла в рабочие полости 77 и 78 (на фиг.1-6 не показаны каналы подвода масла на впрыск), имеющей два выступа 10 и 11 на наружной планшайбе и два выступа 20 и 21 на внутренней планшайбе.

В сравнении с поршневым компрессором такая конструкция соответствует двухцилиндровому компрессору двойного действия.

Возможна конструкция роторно-поршневого компрессора с количеством выступов больше и меньше двух на каждой планшайбе.

В случае выполнения предлагаемой машины в качестве компрессора сухого сжатия, без присутствия масла в сжимаемом газе в конструкцию машины возможно введение узла уплотнения, который может быть расположен над подшипником 9 (фиг.1), узел уплотнения на эскизе не показан.

Наружная планшайба в собранном виде вращается в подшипнике 2, установленном в корпусе 1. Внутренняя планшайба в собранном виде вращается в подшипниках 8 и 9, установленных в корпусе 5 наружной планшайбы. При этом вращение внутренней планшайбы относительно наружной носит характер качательного движения.

Представленная конструкция роторно-поршневой машины согласно изобретению характеризуется симметричностью составляющих газовых сил, действующих не только в радиальном и в осевом направлениях, как в прототипе, но также в окружном.

На поршни 35 и 36, передающих крутящий момент от вала привода 42 на планшайбы, в течение одного оборота действуют знакопеременные инерционные силы, возникающие при неравномерно ускоренном вращении планшайб, которые воспринимаются поочередно боковыми поверхностями поршней. В результате такого движения каждый поршень 35 и 36 в течение одного оборота вступает в контакт соответственно с боковой поверхностью паза поочередно своей передней или задней по ходу движения гранью.

Для снижения трения и обеспечения безызносной работы пары трения поршень - паз на боковых поверхностях поршней предусмотрены карманы 67, 68, на поршне 35 и 69, 70 - на поршне 36 (фиг.4).

В один из карманов каждого поршня поочередно подается под давлением масло.

Снабжение маслом каждого поршня 35 и 36 происходит от своего (отельного) маслонасоса.

Например, подача масла в карманы поршня 35 происходит от маслонасоса, образованного парой движения: хвостовиком пальца 39 и пазом 61 (фиг.1), а подача масла в карманы поршня 36 происходит от маслонасоса, образованного парой движения: хвостовиком пальца 40 и пазом 62. В течение полуоборота масло из уменьшающейся полости маслонасоса под давлением по каналам 71, 72, 74, 75 (фиг.5) и по каналам 73, 76 (фиг.4), выполненных в теле каждого пальца 39 и 40, подается в тот карман каждого поршня 35 и 36, который в этот момент прижимается к одной из боковых поверхностей паза 37, 38 инерционными силами. Второй карман, расположенный на противоположной грани каждого поршня 35, 36 и соединенный каналами 68 с увеличивающейся полостью маслонасоса, будет в это же время находится под пониженным давлением. Поочередное изменение давления масла в карманах каждого поршня 35 и 36 будет происходить через каждые 180° при вращении, то есть на каждом поршне создается эффект гидростатического подшипника, с изменяющейся по направлению подъемной силой, с частотой, равной частоте знакопеременной нагрузки на поршне.

Предлагаемая конструкция смазки поршней, как наиболее нагруженных элементов роторно-поршневой машины, исключает контактное трение в паре движения поршень - паз.

Таким образом, предлагаемая роторно-поршневая машина позволяет увеличить производительность машины на единицу ее объема в несколько раз при сохранении симметричности действия газовых сил и моментов в радиальном и осевом направлениях, снизить механические потери на трение, повысить коэффициент полезного действия машины, использовать предлагаемую машину в качестве компрессора способного, компримировать чистый газ без содержания масла.

Изобретение относится к энергетическим машинам и может быть использовано в качестве компрессоров, насосов и насосов-компрессоров для перекачки газожидкостных смесей. Роторно-поршневая машина содержит корпус, крышку, подшипники, блок цилиндров с радиально расположенными цилиндрами, две планшайбы, оси вращения которых смещены относительно оси вращения блока цилиндров, оппозитные поршни равных масс и равноудаленных от центра вращения, каждый из которых шарнирно соединен в центре его массы пальцем с блоком цилиндров и одной из планшайб. Две планшайбы, образующие пару, снабжены одна выступом, другая - впадиной, которые входят друг в друга, образуя замкнутые полости, пальцы с оппозитными поршнями шарнирно установлены в отверстиях полумуфты. Оси вращения планшайб смещены в одну сторону относительно оси вращения вала привода. Увеличивается производительность на единицу объема машины и повышается КПД машины за счет снижения механических потерь. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Роторно-поршневая машина, содержащая корпус, крышку, подшипники, блок цилиндров с радиально расположенными цилиндрами, две планшайбы, оси вращения которых смещены относительно оси вращения блока цилиндров, оппозитные поршни равных масс и равноудаленных от центра вращения, каждый из которых шарнирно соединен в центре его массы пальцем с блоком цилиндров и одной из планшайб, отличающаяся тем, что две планшайбы, образующие пару, снабжены одна выступом, другая - впадиной, которые входят друг в друга, образуя замкнутые полости, пальцы с оппозитными поршнями шарнирно установлены в отверстиях полумуфты, а оси вращения планшайб смещены в одну сторону относительно оси вращения вала привода.2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что в теле выступа установлены клапаны.3. Машина по п.2, отличающаяся тем, что каждая внутренняя полость выступа соединена каналом с источником высокого давления.