СПИРАЛЬНАЯ МАШИНА Российский патент 2006 года по МПК F04C2/04 F04C18/04 

Изобретение относится к области компрессоростроения, насосостроения и может быть использовано в спиральных машинах, где необходимо решать проблемы уменьшения тепловых нагрузок элементов конструкции, улучшения энергетических характеристик.

Такая конструкция позволяет повысить эффективность охлаждения сжимаемого газа, элементов конструкции, улучшить энергетические характеристики и массогабаритные показатели, повысить надежность и долговечность спиральной машины.

Известна воздушная система охлаждения однороторного спирального компрессора, имеющего подвижный и неподвижный спиральные элементы с оребренными основаниями, со стороны охлаждения образующие с элементами корпуса воздушные каналы между ребрами, к которым поступает охлаждающий воздух через систему воздухопроводов, состоящих из вентилятора, системы спиральных камер и рационально расположенных подводов и отводов.

Охлаждающий воздух, всасываемый вентилятором, через впускное отверстие нагнетается с постоянной производительностью в спиральные камеры, где происходит его ускорение, и далее через выполненные в корпусе подводы направляется к воздушным каналам между ребрами, проходя через которые снимает тепловую нагрузку с рабочих элементов спирального компрессора и таким образом снижает температуру сжатия газа в результате теплообмена охлаждающего воздуха с оребренными основаниями подвижного и неподвижного спиральных элементов (WO 9602761 А1, 01.02.1996, F 04 С 29/04).

В известной конструкции применен способ интенсификации теплообмена, заключающийся в использовании развитой поверхности теплообмена, оптимальной геометрией ребра, увеличении скорости охлаждающего воздуха, повышении турбулентности потока, что обеспечивается рациональной компоновкой элементов конструкции, оптимальными размерами проходного сечения. Недостатки известного технического решения вытекают из способа интенсификации теплообмена:

- развитие поверхности теплообмена, что приводит к увеличению массогабаритных характеристик и, следовательно, стоимости компрессора;

- усложнение конструкции из-за выполнения систем воздухопроводов, что также ведет к повышению стоимости изготовления компрессора;

- недостаточная эффективность охлаждения (низкий коэффициент теплоотдачи) по сравнению с другими способами интенсификации;

- дополнительная затрата энергии на прокачку воздуха через воздухопровод и каналы.

Наиболее близким аналогом является двухроторный спиральный компрессор, имеющий согласованно двигающиеся вращающиеся спирали с оребренными основаниями со стороны охлаждения, которые выполняют функцию колес вентилятора, а ребра - функцию лопаток.

При вращении спиралей, а следовательно, и лопаток колес в зонах, расположенных у оси вращения, давление охлаждающего воздуха уменьшается по сравнению с давлением на входе, за счет чего образуется непрерывный поток охлаждающего воздуха, поступающего к лопаткам колес. Воздух, находящийся между лопатками, при вращении получает вращательное движение, при котором происходит снижение термического сопротивления пограничного слоя посредством его турбулизации и уменьшения толщины, и таким образом снижает температуру сжатия газа в результате теплообмена охлаждающего воздуха с основаниями, турбулизаторами при этом являются колеса вентилятора. Под действием центробежных сил охлаждающий воздух перемещается к периферийной зоне колес и выбрасывается в атмосферу (US 6179590 B1, 13.02.2001, F 01 С 1/04).

В известной конструкции используется более эффективный по сравнению с предыдущим способ интенсификации теплообмена, заключающийся в разрушении пограничного слоя и снижении термического сопротивления на границе теплообменивающихся сред, однако такое конструктивное исполнение компрессора не позволяет получить высокий коэффициент теплоотдачи на границе теплообменивающихся сред из-за недостаточно высокой турбулизации, что объясняется в первую очередь вращением теплообменной поверхности вместе с лопатками.

Техническая задача - повышение эффективности охлаждения сжимаемого газа, элементов конструкции и как следствие повышение энергетических характеристик, надежности и долговечности спиральной машины, улучшение массогабаритных показателей.

Технический результат достигается тем, что в спиральной машине, содержащей корпус, отверстия для всасывания и нагнетания газа, неподвижный спиральный элемент, находящийся в зацеплении с подвижным спиральным элементом, совершающим движение с эксцентриситетом относительно неподвижного спирального элемента с образованием замкнутых полостей сжатия, противоповоротное устройство, эксцентриковый вал на подшипниковых опорах, вентилятор для обеспечения циркуляции охлаждающего воздуха, согласно изобретению лопатки колеса вентилятора установлены по отношению к неподвижному основанию, являющемуся поверхностью охлаждения с зазором для обеспечения при вращении колеса движения воздуха по поверхности неподвижного основания с образованием вихрей, отрыва потока воздуха, уменьшения термического сопротивления на поверхности охлаждения, на которую нанесена искусственная шероховатость, при этом колесо вентилятора снабжено автономным приводом.

Кроме того, при двухсторонней схеме расположения спиральных элементов конструкция включает два колеса вентилятора.

Сущность предложения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 представлено продольное сечение спиральной машины;

на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1;

на фиг.3 - сечение Б-Б на фиг.2;

на фиг.4 - продольное сечение спиральной машины с двухсторонней схемой расположения спиральных элементов.

на фиг.5 - продольное сечение спиральной машины с двухсторонней схемой расположения спиральных элементов с полостью охлаждения.

Спиральная машина, показанная на фиг.1, содержит корпус 1 с всасывающим отверстием 4, неподвижный спиральный элемент 5 с нагнетательным отверстием 7, находящийся в зацеплении с подвижным спиральным элементом 3.

Привод осуществляется через полумуфту 13, вал эксцентриковый 11, установленный на подшипниковых опорах 12 через коренной подшипник 10. Для динамической уравновешенности на валу эксцентриковом напрессованы противовесы 14. Для обеспечения орбитального движения подвижной спирали 3 в корпусе установлено противоповоротное устройство 2 (в данной конструкции - шариковое).

Система охлаждения, размещенная в корпусе, включает колесо вентилятора 6, установленное по отношению к поверхности охлаждения В с зазором S. Лопатки колеса вентилятора выполнены заодно (либо жестко соединены) с приводным шкивом. Колесо вентилятора 6 снабжено автономным приводом (на чертежах не показан).

Колесо вентилятора 6 может вращается и вокруг неподвижной оси, жестко соединенной с неподвижной спиралью 5. В этом случае привод колеса вентилятора 6 осуществляется через промежуточный валик 9, установленный в корпусе 1 на собственных опорах качения с помощью ременной передачи 8 от полумуфты 13.

В конструкции спиральной машины по фиг.4 подвижный спиральный элемент 3 выполнен двухсторонним, неподвижные спиральные элементы 5 выполнены заодно с корпусом 1. Привод подвижного спирального элемента осуществляется за один из трех поводков 11 противоповоротного устройства 2, который выполняет функцию эксцентрикового вала (в данной конструкции противоповоротное устройство - поводковое). Система охлаждения включает два колеса вентилятора 6. Привод колес осуществляется с помощью автономного привода, но может осуществляться и с помощью ременной передачи 8 за один из двух поводков противоповоротного устройства 2 и систему шкивов.

В конструкции спиральной машины по фиг.5 подвижный спиральный элемент 3 также выполнен двухсторонним и состоит из двух повернутых друг относительно друга на 180° и раздвинутых на величину корпуса опорного подшипника 12 спиралей, жестко соединенных перемычками, охлаждающими ребрами 16 и корпусом опорного подшипника 17 с образованием полости охлаждения 15.

Привод осуществляется через полумуфту 13, вал эксцентриковый 11, установленный на опоре скольжения 12 через коренные подшипники скольжения 10. Система охлаждения включает два колеса вентилятора 6, неподвижно установленные на валу эксцентриковом 11.

Спиральная машина работает следующим образом. Газовая среда подводится на всасывание 4 спиральной машины при орбитальном движении подвижного спирального элемента 3 относительно неподвижного спирального элемента 5 с эксцентриком «е» благодаря наличию эксцентрикового вала 11 на подшипниковых опорах 12, противоповоротного устройства 2, предотвращающего вращение спиральных элементов друг относительно друга, образуются замкнутые полости, перемещение газа со стороны всасывания 4 к стороне нагнетания 7, сжатие происходит благодаря уменьшению объемов замкнутых полостей. В момент, определяемый необходимыми параметрами рабочего процесса, происходит соединение замкнутых полостей друг с другом и окном нагнетания и вытеснение сжимаемой среды в окно нагнетания 7.

Цикл всасывания (раскрытие и закрытие внешних полостей) совершается за один оборот вала машины. Затем он повторяется. Цикл сжатия и выталкивания газа длится дольше, в зависимости от угла закрутки спирали и размера окна нагнетания.

При сжатии газа происходит повышение температуры от температуры всасывания до температуры нагнетания, по законам теплообмена теплота распространяется на элементы спиральной машины, в том числе на рабочие элементы 3, 5, вызывая температурные деформации, на подшипники 10, 12, которые сами по себе являются источниками тепла, и работоспособность их определяется определенным температурным режимом, зависящим от режима работы спиральной машины. Тепловая нагрузка с элементов спиральной машины в процессе работы снимается следующим образом.

С момента вращения эксцентрикового вала начинает вращаться колесо вентилятора. В зоне, расположенной у оси вращения колеса, давление воздуха уменьшается по сравнению с давлением на входе, за счет чего образуется непрерывный поток охлаждающего воздуха, поступающего к лопаткам колес. Под действием центробежных сил воздух перемещается к периферийной зоне колес, охлаждая теплообменную поверхность, которой является поверхность основания неподвижного спирального элемента со стороны колеса вентилятора, и выбрасывается в атмосферу.

При вращении колеса вентилятора основание неподвижного спирального элемента сметается лопатками, при этом образуются мощные вихри (фиг.3), приводящие к отрыву потока у поверхности основания. За местом отрыва потока пограничный слой разрушается, термическое сопротивление его значительно уменьшается, что увеличивает интенсивность теплоотдачи на границе теплообмена со стороны охлаждающего воздуха.

Такое конструктивное решение позволяет не только сразу использовать высокие скорости охлаждающего воздуха для охлаждения, которые мы имеем в колесе вентилятора, и не тратить энергию на его прокачку по каналам и воздухопроводам, но и параллельно использовать колесо вентилятора (насоса) в качестве турбулизирующего устройства. Выполнение подвижного спирального элемента с образованием дополнительной полости охлаждения 15 со стороны оснований (фиг.5) позволяет еще более повысить эффективность охлаждения. В этом случае охлаждающий воздух от автономного вентилятора поступает в полость охлаждения 15, где, двигаясь вдоль ребер охлаждения 16 спиральных элементов, оребренной поверхности корпуса подшипника 17 и гладких поверхностей оснований подвижной спирали, снимает тепловую нагрузку с элементов спиральной машины.

В конструкции спиральной машины для охлаждения может быть использован жидкий теплоноситель (использование насоса), что позволяет уменьшить площадь охлаждения и тем самым сократить радиальные габариты спиральной машины.

Нанесение на поверхности охлаждения В искусственной шероховатости приводит к более эффективному разрушению пограничного слоя и увеличению эффективности теплоотдачи.

Таким образом, предлагаемая конструкция спиральной машины позволяет повысить эффективность охлаждения элементов спиральной машины, повысить надежность и долговечность за счет использования более эффективного способа охлаждения, заключающегося в образовании мощных вихрей на поверхности теплообмена, приводящих к разрушению пограничного слоя и увеличению коэффициента теплоотдачи при довольно небольших затратах (не тратится энергия на прокачку теплоносителя по каналам, воздухопроводам и т.д.), при этом коэффициент теплоотдачи увеличивается примерно на порядок по сравнению с обдувом холодным воздухом оребренной поверхности.

Изобретение относится к области компрессоростроения и насосостроения, а именно к спиральным машинам. Спиральная машина содержит корпус, отверстия для всасывания и нагнетания газа, неподвижный спиральный элемент, находящийся в зацеплении с подвижным спиральным элементом, совершающим движение с эксцентриситетом относительно неподвижного спирального элемента с образованием замкнутых полостей сжатия, противоповоротное устройство, эксцентриковый вал на подшипниковых опорах, вентилятор для обеспечения циркуляции охлаждающего воздуха. Лопатки колеса вентилятора установлены по отношению к неподвижному основанию, являющемуся поверхностью охлаждения с зазором для обеспечения при вращении колеса движения воздуха по поверхности неподвижного основания с образованием вихрей, отрыва потока воздуха, уменьшения термического сопротивления на поверхности охлаждения, на которую нанесена искусственная шероховатость. Колесо вентилятора снабжено автономным приводом. Повышается эффективность охлаждения сжимаемого газа, элементов конструкции и как следствие повышаются энергетические характеристики, надежность и долговечность машины, улучшаются массогабаритные показатели. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Спиральная машина, содержащая корпус, отверстия для всасывания и нагнетания газа, неподвижный спиральный элемент, находящийся в зацеплении с подвижным спиральным элементом, совершающим движение с эксцентриситетом относительно неподвижного спирального элемента с образованием замкнутых полостей сжатия, противоповоротное устройство, эксцентриковый вал на подшипниковых опорах, вентилятор для обеспечения циркуляции охлаждающего воздуха, отличающаяся тем, что лопатки колеса вентилятора установлены по отношению к неподвижному основанию, являющемуся поверхностью охлаждения, с зазором для обеспечения при вращении колеса движения воздуха по поверхности неподвижного основания с образованием вихрей, отрыва потока воздуха, уменьшения термического сопротивления на поверхности охлаждения, на которую нанесена искусственная шероховатость, при этом колесо вентилятора снабжено автономным приводом.2. Спиральная машина по п.1, отличающаяся тем, что при двухсторонней схеме расположения спиральных элементов конструкция включает два колеса вентилятора.