ЛОПАСТНО-БЕСКРИВОШИПНАЯ МАШИНА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК F01C11/00 F02B53/14 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а также к насосо- и компрессоростроению, и может быть использовано в качестве автономного насоса или компрессора для создания избыточного давления рабочего тела и транспортировки (перекачки) газов, жидкостей, смесей, взвесей, суспензий и других агентов в различных отраслях промышленности и хозяйства.

Известен роторно-лопастной ДВС, обладающий свойством обратимости (см. Бирюков Б.И. От водяного колеса до квантового ускорителя. М.: Машиностроение, 1990), в котором на валах, расположенных по оси его цилиндрического корпуса, размещены две лопасти. Эти лопасти являются роторами, и они делят внутреннюю цилиндрическую полость корпуса на четыре замкнутых объема. В процессе работы лопасти вращаются внутри корпуса, каждая на своем валу, причем один из валов расположен внутри другого. Лопасти-роторы кинематически связаны между собой специальным механизмом, который позволяет при равномерном вращении вала с одной из лопастей другой лопасти догонять первую, либо отставать от нее. Вследствие этого происходит изменение величин объемов, ограниченных лопастями-роторами и стенками корпуса машины, и в этих объемах становится возможным осуществление процессов рабочего цикла ДВС, насоса, компрессора или детандера.

Основными недостатками такого роторно-лопастного ДВС являются следующие:

- сложность конструкции, низкая технологичность и недостаточная надежность механизма кинематической взаимосвязи (согласования движения) лопастей-роторов;

- высокая сложность, низкая технологичность и малая эффективность уплотнений значительных по площади криволинейных поверхностей, ограничивающих объемы рабочих камер;

- большие тепловые потери в стенки деталей, ограничивающих рабочие объемы (объемы рабочих камер), что снижает КПД такого ДВС и ухудшает его технико-экономические характеристики.

Известна лопастная машина по патенту SU №1523712, F 04 С 2/344, заявл. 22.07.87, опубл. 23.11.89, содержащая цилиндрический корпус со впускными и выпускными окнами, неподвижными замыкателями и качающимися рабочими лопастями, число которых равно числу замыкателей. Корпус разделен замыкателями и лопастями на рабочие полости, в части из которых осуществляется рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания, а в остальных - рабочий цикл гидравлического насоса. Силовой вал машины совершает, как и лопасти, качательные движения.

Основными недостатками такой лопастной машины являются следующие:

- низкие технико-экономические показатели и, в том числе, КПД машины вследствие использования гидравлического насоса лопастного типа, характеризующегося, в свою очередь, низкой эффективностью работы;

- большие гидравлические потери (и, в частности, потери на перетекание рабочего тела в рабочих камерах и каналах) гидравлического насоса из-за использования лопастного (поворотного, или квадрантного) принципа его работы;

- значительные механические потери (и, в частности, потери на трение в элементах камеро-лопастной группы) гидравлического насоса, связанные с большой площадью поверхностей деталей, ограничивающих объемы рабочих камер, а также с технической сложностью, низкой технологичностью и малой эффективностью работы уплотнений рабочих камер, что существенно ухудшает технико-экономические характеристики и снижает КПД такой лопастной машины.

Наиболее близким аналогом к предлагаемой лопастно-бескривошипной машине является конструкция лопастной машины по патенту РФ №2190103 С1, МПК 7 F 01 С 11/00, F 02 В 53/14, заявл. 20.03.2001, опубл. 27.09.2002. Эта лопастная машина содержит лопастной двигатель внутреннего сгорания, лопастной гидронасос, лопастной компрессор, полый силовой вал, внешнюю рубашку охлаждения лопастного двигателя, воздухоприемные колпаки. При необходимости машина может содержать также маятниковый электрогенератор. Рабочие циклы двигателя внутреннего сгорания, гидравлического насоса и газового компрессора осуществляются в рабочих камерах, образованных стенками корпуса, замыкателями и лопастями. Объемы этих камер циклически изменяют свою величину при колебательном (качательном) движении силового вала относительно своей продольной оси, совпадающей с продольной осью лопастной машины.

Основными недостатками такой лопастной машины являются следующие:

- низкий КПД лопастного компрессора из-за большой величины гидравлических потерь (и, в частности, снижения коэффициента подачи) в лопастной части, связанных с высокими значениями величин “вредных” объемов и увеличением дросселирования, что ведет к снижению КПД лопастной машины в целом;

- высокие величины внутренних (“вредных”) сопротивлений (в том числе механических потерь) и, в частности, потерь на трение в элементах камеро-лопастной группы (КЛГ) лопастного компрессора вследствие большой площади контактирующих (трущихся) поверхностей, что уменьшает общий КПД лопастной машины и снижает ее моторесурс;

- сложность конструкции и пониженная ее технологичность, значительные трудоемкость и стоимость изготовления, а также малая эффективность работы уплотнений деталей КЛГ лопастной машины, находящихся под воздействием рабочего тела под высоким давлением (в частности, лопастей, силового вала и рабочих камер), что вызывает увеличение утечек и перетечек рабочего тела соответственно из камер вытеснения в камеры всасывания, а также в окружающую среду;

- необходимость обеспечения надежной герметизации рабочих объемов, ограниченных протяженными криволинейными поверхностями, что вызывает существенное ужесточение технических и технологических требований к элементам конструкции основных деталей и ведет к уменьшению величин допусков, определяющих погрешности формы и размеров их сопрягаемых поверхностей, вследствие чего уменьшается надежность работы, существенно повышается стоимость изготовления лопастной машины и снижается ее конкурентоспособность;

- высокие относительные величины теплопередачи от рабочего тела, находящегося под высоким давлением, к поверхностям, ограничивающим объемы рабочих камер (и, в частности, рабочих камер лопастной компрессорной части), вследствие больших площадей этих поверхностей, что требует применения более производительной, сложной, крупногабаритной и дорогой системы охлаждения (в том числе по условиям безопасности работы компрессора) и ухудшает технико-экономические параметры, показатели и характеристики (в особенности, массогабаритные, габаритно- и удельно-мощностные) лопастной машины.

В основу изобретения положено решение задачи существенного улучшения технических (в том числе удельно-мощностных), экономических (в том числе по критериям внутренней и внешней конкурентоспособности), массогабаритных (в том числе габаритно-мощностных) параметров, показателей и характеристик лопастной машины.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в лопастной машине, содержащей лопастной двигатель внутреннего сгорания и компрессор, размещенные на едином силовом валу, согласно изобретению компрессор выполнен поршневым и содержит цилиндр, на внутренней поверхности которого выполнены по крайней мере две незамкнутые винтовые канавки, а также поршень, в выемках на наружной поверхности которого установлены по крайней мере два беговых шарика с возможностью качения их в канавках цилиндра, поршень подвижно соединен с силовым валом посредством колодок, установленных на валу, и ходовых шариков, установленных попарно в пространстве между колодками и дорожками, выполненными на внутренней поверхности поршня.

Кроме того, по другому варианту решение поставленной технической задачи достигается тем, что в лопастной машине, содержащей лопастной двигатель внутреннего сгорания и компрессор, размещенные на едином силовом валу, согласно изобретению беговые шарики установлены в выемках на внутренней поверхности цилиндра с возможностью качения их в незамкнутых винтовых канавках, выполненных на наружной поверхности поршня.

Выполнение компрессора поршневым, то есть с рабочей камерой (в которой осуществляются процессы рабочего цикла компрессорной машины), ограниченной стенками цилиндра и вытеснителя - поршня, и содержащим цилиндр и поршень, размещенный в этом цилиндре, позволяет повысить технико-экономические характеристики и, в том числе, КПД лопастно-бескривошипной машины по причине существенного уменьшения величины гидравлических потерь (и, в частности, повышения коэффициента подачи), а также уменьшения утечек и перетечек рабочего тела в поршневой части, что связано с низкими значениями величин “вредных” объемов и уменьшением дросселирования, позволяет значительно снизить внутренние (“вредные”) сопротивления (в том числе механические потери) и, в частности, потери на трение в элементах камеро-лопастной группы (КЛГ) лопастного компрессора вследствие резкого уменьшения площади контактирующих (трущихся) поверхностей и повысить эффективность работы уплотнений деталей КЛГ машины, находящихся под воздействием рабочего тела под высоким давлением (в частности, поршня и рабочей камеры).

Подвижное соединение поршня с силовым валом при помощи двух колодок, установленных на валу, и ходовых шариков, установленных попарно в пространстве между колодками и дорожками, выполненными на внутренней поверхности поршня, дает возможность существенно упростить конструкцию и улучшить ее технологичность, значительно уменьшить механические потери в механизме (и, в частности, потери на механическое трение в компрессорной части), снизить трудоемкость и уменьшить стоимость изготовления, а также повысить надежность и эффективность (в том числе механический КПД) работы и конкурентоспособность лопастно-бескривошипной машины.

Главной отличительной особенностью такой лопастно-бескривошипной машины является то, что каждая канавка, выполненная на поверхности одного из элементов цилиндропоршневой группы (цилиндра или поршня), представляет собой незамкнутый винтовой паз. При этом на поверхностях цилиндра или поршня таких канавок может быть выполнено, по меньшей мере, две. Благодаря этому обстоятельству в лопастно-бескривошипной машине достигаются возможность применения поршневой компрессорной части и осуществления в таком компрессоре возвратно-вращательного движения поршня, фазы которого согласуются с фазами работы лопастей лопастного двигателя (и, в частности, единого (общего) силового вала лопастно-бескривошипной машины), что позволяет существенно улучшить технические (в том числе удельно-мощностные), экономические (в том числе по критериям внутренней и внешней конкурентоспособности), массогабаритные (в том числе габаритно-мощностные) параметры, показатели и характеристики лопастно-бескривошипной машины.

Применение по крайней мере двух беговых шариков позволяет исключить возникновение дополнительного момента, приводящего к перекосу и возможному заклиниванию поршня в гильзе цилиндра в процессе работы машины при наличии только одного такого шарика, уменьшить площадь контакта боковой поверхности поршня с гильзой цилиндра и повысить плавность и безударность работы пары “поршень - цилиндр”, вследствие чего уменьшаются потери на трение в элементах ЦПГ бескривошипного компрессора и повышается КПД компрессора и лопастно-бескривошипной машины в целом.

Совокупность названных признаков позволяет обеспечить снижение тепловых потерь в компрессорной части, повысить общий КПД, а также значительно улучшить технико-экономические параметры, показатели и характеристики лопастно-бескривошипной машины (в особенности, массогабаритные, габаритно- и удельно-мощностные).

Сущность изобретения (на примере машины с одноцилиндровой, однопоршневой, одноступенчатой компрессорной частью) поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен поперечный разрез лопастного двигателя; на фиг.2 - конструктивная схема лопастно-бескривошипной машины, в которой винтовые канаки выполнены на внутренней поверхности цилиндра; на фиг.3 - конструктивная схема лопастно-бескривошипной машины, в которой винтовые канаки выполнены на наружной поверхности поршня; на фиг.4 - поперечный разрез компрессорной части лопастно-бескривошипной машины.

Лопастно-бескривошипная машина (фиг.1-4) состоит из лопастного двигателя внутреннего сгорания, содержащего корпус 1, неподвижные замыкатели 2, лопасти 3, связанные с силовым валом 4 посредством шлицевого соединения, и бескривошипного компрессора, содержащего цилиндр 5, на внутренней поверхности которого выполнены по крайней мере две незамкнутые винтовые канавки 6, а также поршень 7, расположенный в гильзе цилиндра 8, в выемках на наружной поверхности которого установлены по крайней мере два беговых шарика 9 с возможностью качения их в канавках цилиндра, поршень подвижно соединен с силовым валом посредством по крайней мере двух колодок 10, установленных на силовом валу, и ходовых шариков 11, расположенных попарно в пространстве между колодками и дорожками 12, выполненными на внутренней поверхности поршня; при этом свободный объем полости, ограниченной внутренними поверхностями гильзы и цилиндра компрессора, а также наружной поверхностью днища поршня, представляет собой рабочую камеру 13.

В другом варианте лопастно-бескривошипной машины (фиг.3) канавки 6, в которых расположены установленные в выемках на внутренней поверхности цилиндра 5 компрессора беговые шарики 9, выполнены на наружной поверхности поршня.

Принцип действия лопастно-бескривошипной машины (фиг.1-4) заключается в следующем. При возвратно-качательных движениях силового вала 4 с лопастями 3 лопастной части машины из одного крайнего положения в другое силовой вал, поворачиваясь относительно своей продольной оси, совпадающей с осью цилиндра поршневой компрессорной части, через подвижные соединения, включающие колодки 10, ходовые шарики 11 и дорожки 12 поршня 7, побуждает поршень к перемещению из одного крайнего положения в другое. При этом беговые шарики 9, перекатываясь в винтовых канавках 6 цилиндра 5, придают поршню вращательное движение относительно оси цилиндра (совпадающей с осью силового вала), происходящее одновременно и согласованно с поступательным движением вдоль этой же оси. Таким образом, осуществляется вращательно-поступательное движение поршня из крайнего правого положения (фиг.2, 3) в крайнее левое, которое происходит в течение ровно половины периода колебания (качания) силового вала (или, что то же самое, лопасти) машины. Свободный объем 13 цилиндра (рабочей камеры) компрессорной части увеличивается. Протекает фаза всасывания рабочего тела в цилиндр бескривошипного компрессора. При перемещении силового вала лопастной части в обратном направлении аналогичным образом осуществляется вращательно-поступательное перемещение поршня компрессорной части из крайнего левого в крайнее правое положение, происходящее также в течение ровно половины периода колебания силового вала машины. Свободный объем 13 цилиндра (рабочей камеры) компрессорной части уменьшается. Протекает фаза вытеснения рабочего тела из цилиндра бескривошипного компрессора. Таким образом, при протекании в рабочих камерах лопастной части чередующихся процессов, составляющих рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания и сопровождающихся колебательным (качательным) движением силового вала машины, за счет возвратно-вращательного движении поршня компрессорной части в последней осуществляется совокупность процессов, составляющих рабочий цикл поршневого компрессора.

Представленная схема лопастно-бескривошипной машины обеспечивает следующие технические преимущества:

- увеличение КПД компрессорной части лопастно-бескривошипной машины за счет уменьшения потерь, связанных с перетеканием рабочего тела во внутренних полостях компрессора (в частности, в его рабочих камерах и каналах), а также с повышением коэффициента подачи в поршневой части, в связи со снижением величины “вредных” объемов и уменьшением дросселирования, что ведет к повышению КПД лопастно-бескривошипной машины в целом;

- снижение величины внутренних (“вредных”) сопротивлений (механических потерь) и, в частности, потерь на трение в элементах лопастно-бескривошипной машины вследствие меньшей (при прочих равных условиях) удельной величины контактирующих (трущихся) поверхностей, что повышает общий КПД лопастно-бескривошипной машины и увеличивает ее моторесурс;

- упрощение конструкции и повышение ее технологичности, снижение трудоемкости и стоимости изготовления, а также повышение эффективности работы уплотнений деталей компрессорной части лопастно-бескривошипной машины, находящихся под воздействием рабочего тела под высоким давлением (в частности, уплотнений рабочей камеры), что ведет к существенному уменьшению утечек и перетечек рабочего тела и увеличению КПД компрессора;

- обеспечение значительно более надежной герметизации рабочих камер, что позволяет существенно упростить технические и технологические требования к элементам конструкции основных деталей, а также расширить величины допусков, определяющих погрешности формы и размеров сопрягаемых поверхностей, вследствие чего увеличивается надежность работы устройства и повышается его конкурентоспособность;

- значительно более низкие относительные величины теплопередачи от рабочего тела высокого давления к поверхностям, ограничивающим объем рабочей камеры компрессорной части лопастно-бескривошипной машины, вследствие меньшей площади этих поверхностей, что дает возможность применения менее мощной, более простой, малогабаритной и относительно дешевой системы охлаждения (в том числе с учетом условий безопасности работы компрессора) и улучшает технико-экономические параметры, показатели и характеристики (в особенности, массогабаритные, габаритно- и удельно-мощностные) лопастно-бескривошипной машины.

Лопастно-бескривошипная машина может быть использована в качестве автономного насоса или компрессора для создания избыточного давления рабочего тела и транспортировки (перекачки) газов, жидкостей, смесей, взвесей, суспензий и других агентов в различных отраслях промышленности и хозяйства.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а также к насосо- и компрессоростроению. Лопастно-бескривошипная машина содержит лопастной двигатель внутреннего сгорания и компрессор, размещенные на едином силовом валу. Компрессор выполнен поршневым. В первом варианте компрессор содержит цилиндр, на внутренней поверхности которого выполнены по крайней мере две незамкнутые винтовые канавки, а также поршень, в выемках на наружной поверхности которого установлены по крайней мере два беговых шарика с возможностью качения их в канавках цилиндра. В втором варианте компрессор содержит поршень, на наружной поверхности которого выполнены по крайней мере две незамкнутые винтовые канавки, а также цилиндр, в выемках на внутренней поверхности которого установлены по крайней мере два беговых шарика с возможностью качения их в канавках поршня. В обоих вариантах поршень подвижно соединен с силовым валом посредством колодок, установленных на валу, и ходовых шариков, установленных попарно в пространстве между колодками и дорожками, выполненными на внутренней поверхности поршня. Улучшаются технические, экономические, массогабаритные параметры, показатели и характеристики машины. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Лопастно-бескривошипная машина, содержащая лопастной двигатель внутреннего сгорания и компрессор, размещенные на едином силовом валу, отличающаяся тем, что компрессор выполнен поршневым и содержит цилиндр, на внутренней поверхности которого выполнены, по крайней мере, две незамкнутые винтовые канавки, а также поршень, в выемках на наружной поверхности которого установлены, по крайней мере, два беговых шарика с возможностью качения их в канавках цилиндра, поршень подвижно соединен с силовым валом посредством колодок, установленных на валу, и ходовых шариков, установленных попарно в пространстве между колодками и дорожками, выполненными на внутренней поверхности поршня.2. Лопастно-бескривошипная машина, содержащая лопастной двигатель внутреннего сгорания и компрессор, размещенные на едином силовом валу, отличающаяся тем, что компрессор выполнен поршневым и содержит поршень, на наружной поверхности которого выполнены, по крайней мере, две незамкнутые винтовые канавки, а также цилиндр, в выемках на внутренней поверхности которого установлены, по крайней мере, два беговых шарика с возможностью качения их в канавках поршня, поршень подвижно соединен с силовым валом посредством колодок, установленных на валу, и ходовых шариков, установленных попарно в пространстве между колодками и дорожками, выполненными на внутренней поверхности поршня.