СПИРАЛЬНАЯ МАШИНА Российский патент 2009 года по МПК F04C29/04 F04C2/04 F04C18/04 

Изобретение относится к области компрессоростроения, насосостроения и может быть использовано в спиральных машинах для решения 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.

Известен способ охлаждения компрессионного блока, содержащий компрессионные элементы, выполненные в виде пары эвольвентных спиралей - неподвижной и подвижной, образующих компрессионную камеру, подвижная спираль соединена с механизмом преобразования движения, компрессионный блок снабжен вентилятором (RU 2213266 С1, 27.09.2003), известен также компрессионный блок воздушного охлаждения (RU 2213267 С1, 27.09.2003). Охлаждение элементов компрессионного блока осуществляется за счет распределения движения охлаждающего воздуха и увеличения его скорости.

Недостатком известных технических решений является низкая эффективность охлаждения из-за недостаточной площади поверхности охлаждения и нерационального распределения движения охлаждающего воздуха по поверхности охлаждения источника тепловых нагрузок (температура при сжатии газа).

Наиболее близким аналогом является спиральная машина, содержащая корпус с отверстиями для всасывания и нагнетания газа, неподвижный спиральный элемент, имеющий основание со спиральным ребром и находящийся в зацеплении с подвижным спиральным элементом, также имеющим основание со спиральным ребром и установленным на эксцентриковом валу с возможностью совершения движения с эксцентриситетом относительно неподвижного спирального элемента с образованием между их спиральными ребрами замкнутых полостей сжатия, противоповоротное устройство, установленное в корпусе с возможностью предотвращения вращения подвижного и неподвижного спиральных элементов друг относительно друга, и средство для подачи охлаждающей среды, при этом неподвижный спиральный элемент выполнен со вторым ребром с другой стороны своего основания, образующим с поверхностями этой стороны основания и корпуса канал для движения охлаждающей среды (ЕР 1445491 А1, 11.08.2004, F04C 29/00).

Недостатком известного технического решения является недостаточная эффективность охлаждения.

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

Технический результат достигается тем, что спиральная машина содержит корпус с отверстиями для всасывания и нагнетания газа, неподвижный спиральный элемент, имеющий основание со спиральным ребром и находящийся в зацеплении с подвижным спиральным элементом, также имеющим основание со спиральным ребром и установленным на эксцентриковом валу с возможностью совершения движения с эксцентриситетом относительно неподвижного спирального элемента с образованием между их спиральными ребрами замкнутых полостей сжатия, противоповоротное устройство, установленное в корпусе с возможностью предотвращения вращения подвижного и неподвижного спиральных элементов друг относительно друга, и средство для подачи охлаждающей среды, при этом неподвижный спиральный элемент выполнен со вторым ребром с другой стороны своего основания, образующим с поверхностями этой стороны основания и корпуса канал для движения охлаждающей среды, согласно изобретению второе ребро и канал для движения охлаждающей среды выполнены спиральными, причем второе спиральное ребро выполнено повторяющим форму спирального ребра, расположенного с противоположной стороны, а движение охлаждающей среды в спиральном канале осуществлено от центра к периферии.

Средство для обеспечения циркуляции охлаждающей среды может быть выполнено в виде вентилятора для подачи охлаждающего воздуха или в виде насоса для подачи жидкого хладоносителя, соединенного с расширительным баком и охладителем жидкого хладоносителя. Использование жидкого теплоносителя позволяет уменьшить площадь охлаждения и тем самым сократить радиальные габариты спиральной машины. Вентилятор и насос установлены на входе в указанный спиральный канал.

Подвижный спиральный элемент может быть выполнен со вторым спиральным ребром, расположенным с другой стороны его основания, при этом в корпусе установлен второй неподвижный спиральный элемент, аналогичный первому, находящийся в зацеплении со вторым спиральным ребром подвижного спирального элемента, а машина снабжена вторым средством для подачи охлаждающей среды, которое может быть выполнено в виде вентилятора или насоса, установленных на входе в спиральный канал, образованный вторым спиральным ребром второго неподвижного элемента, поверхностью основания второго неподвижного спирального элемента со стороны второго спирального ребра и корпусом машины.

Для увеличения интенсивности охлаждения каждый неподвижный спиральный элемент, а также его второе спиральное ребро выполняют из материала с высокой теплопроводностью, а на его поверхность охлаждения наносят искусственную шероховатость.

Второе спиральное ребро каждого неподвижного спирального элемента может быть выполнено за одно целое с основанием или составным с основанием.

Отверстие нагнетания может быть выполнено в штуцере нагнетания, закрепленном в отверстии, выполненном в основании неподвижного спирального элемента и имеющим оребренную поверхность для более эффективного охлаждения газа на выходе из компрессора.

Каждый вентилятор может быть снабжен автономным приводом с частотным преобразователем или приводом, содержащим промежуточный валик, установленный в корпусе на опорах качения и соединенный с помощью ременной передачи с эксцентриковым валом и с каждым вентилятором.

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.1;

на фиг.4 - выноска В на фиг.1 (вариант составного ребра Д);

на фиг.5 - выноска на фиг.1;

на фиг.6 - продольное сечение спиральной машины с охлаждением жидким теплоносителем;

на фиг.7 - продольное сечение спиральной машины с двухсторонней схемой расположения спиральных элементов.

Спиральная машина, показанная на фиг.1, содержит корпус 1 с всасывающим отверстием 4, неподвижный спиральный элемент 5 с нагнетательным отверстием 7 и штуцером 16, 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 уравновешиваемости на валу эксцентриковом напрессованы противовесы 14. Для обеспечения орбитального движения подвижного спирального элемента 3 в корпусе установлено противоповоротное устройство 2 (в данной конструкции шариковое).

Система охлаждения включает вентилятор 6 с приводом, входной 15 и выходной 17 патрубки, второе спиральное ребро Д неподвижного спирального элемента с оптимальным соотношением b/h, повторяющее форму спирального ребра, расположенного с противоположной стороны основания неподвижного спирального элемента. Спиральное ребро Д может быть выполнено заодно с основанием неподвижного спирального элемента со стороны охлаждения Е и образует с поверхностями Е и И спиральный канал. Привод вентилятора 6 осуществляется через промежуточный валик 9, установленный в корпусе 1 на собственных опорах качения с помощью ременной передачи 8 от полумуфты 13, установленной на конце эксцентрикового вала 11.

Штуцер 16 может иметь оребренную поверхность Ж с оптимальным соотношением b/h.

Ребро Д может быть выполнено составным с заделкой в теле основания неподвижного спирального элемента (фиг4).

Конструкция спиральной машины по фиг.6 включает насос 19 для подачи жидкого теплоносителя, расширительный бак 18 и охладитель жидкого теплоносителя 20.

В конструкции спиральной машины по фиг.7 подвижный спиральный элемент 3 выполнен двухсторонним, т.е. со спиральными ребрами, расположенными с двух противоположных сторон его основания, а в корпусе установлен второй неподвижный спиральный элемент 5, аналогичный первому, находящийся в зацеплении с соответствующим спиральным ребром подвижного спирального элемента 3. Привод подвижного спирального элемента осуществляется за один из трех поводков 11 противоповоротного устройства 2, который одновременно является эксцентриковым валом (в данной конструкции противоповоротное устройство - поводковое). Система охлаждения включает два вентилятора 6 и два спиральных ребра Д двух неподвижных спиральных элементов 5. Привод вентиляторов 6 осуществляется с помощью ременной передачи 8 за один из двух поводков (от эксцентрикового вала) противоповоротного устройства 2 и систему шкивов.

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 относительно друг 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 компрессора. 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 6 и поступать с постоянной производительностью через входной патрубок охлаждающий воздух в центральную часть спирального канала (при этом охлаждая штуцер нагнетания 16, а следовательно, нагнетаемый газ) в зону наибольшей тепловой нагрузки (зона нагнетания) и далее, образуя противоток сжимаемому газу (газ движется от периферии к центру), перемещается от центра к периферии по спиральному каналу, охлаждая теплообменную поверхность, которой является поверхность основания Е и боковые поверхности спирального ребра через выходной патрубок выбрасывается в атмосферу.

При движении теплоносителя в спиральном канале от центра к периферии неизбежно возникает центробежный эффект. Поток воздуха отжимается к внешней стенке, и в поперечном сечении возникает так называемая вторичная циркуляция. С увеличением радиуса кривизны от центра к периферии влияние центробежного эффекта уменьшается. Вследствие возрастания скорости и вторичной циркуляции воздействующих на пограничный слой поверхности охлаждения и, как следствие этого, увеличение турбулентности потока интенсивность теплоотдачи возрастает в центральной части и уменьшается к периферии с меньшей тепловой нагрузкой (зона всасывания). Кроме этого, в острых углах сечения спирального канала возникают вихри, которые также интенсифицируют процесс охлаждения (фиг.5).

Такое конструктивное решение позволяет повысить интенсивность теплообмена не только за счет использования развитой поверхности теплообмена и оптимальной геометрии ребра, но и за счет обеспечения рационального движения теплоносителя и сжимаемого газа, образующее противоток (теплоноситель от центра к периферии движется по спиральному каналу, повторяющему движение сжимаемого газа от периферии к центру), причем интенсивность теплоотдачи выше именно там, где необходимо снять наибольшую тепловую нагрузку.

Таким образом, предлагаемая конструкция спиральной машины позволяет повысить эффективность охлаждения элементов спиральной машины, повысить ее надежность и долговечность.

Изобретение относится к области компрессоростроения, насосостроения и может быть использовано в спиральных машинах для решения проблемы уменьшения тепловых нагрузок элементов конструкции, улучшения энергетических характеристик. Спиральная машина содержит корпус с отверстиями для всасывания и нагнетания газа, неподвижный спиральный элемент, имеющий основание со спиральным ребром и находящийся в зацеплении с подвижным спиральным элементом, также имеющим основание со спиральным ребром и установленным на эксцентриковом валу с возможностью совершения движения с эксцентриситетом относительно неподвижного элемента с образованием между их спиральными ребрами замкнутых полостей сжатия, противоповоротное устройство и средство для подачи охлаждающей среды. Неподвижный элемент выполнен со вторым ребром с другой стороны своего основания, образующим с поверхностями этой стороны основания и корпуса канал для движения охлаждающей среды. Второе ребро и канал для движения охлаждающей среды выполнены спиральными. Второе спиральное ребро выполнено повторяющим форму спирального ребра, расположенного с противоположной стороны. Движение охлаждающей среды в спиральном канале осуществлено от центра к периферии. Повышается эффективность охлаждения элементов спиральной машины, а также ее надежность и долговечность. 12 з.п. ф-лы. 7 ил.

1. Спиральная машина, содержащая корпус с отверстиями для всасывания и нагнетания газа, неподвижный спиральный элемент, имеющий основание со спиральным ребром и находящийся в зацеплении с подвижным спиральным элементом, также имеющим основание со спиральным ребром и установленным на эксцентриковом валу с возможностью совершения движения с эксцентриситетом относительно неподвижного спирального элемента с образованием между их спиральными ребрами замкнутых полостей сжатия, противоповоротное устройство, установленное в корпусе с возможностью предотвращения вращения подвижного и неподвижного спиральных элементов относительно друг друга, и средство для подачи охлаждающей среды, при этом неподвижный спиральный элемент выполнен со вторым ребром с другой стороны своего основания, образующим с поверхностями этой стороны основания и корпуса канал для движения охлаждающей среды, отличающаяся тем, что второе ребро и канал для движения охлаждающей среды выполнены спиральными, причем второе спиральное ребро выполнено повторяющим форму спирального ребра, расположенного с противоположной стороны, а движение охлаждающей среды в спиральном канале осуществлено от центра к периферии.2. Спиральная машина по п.1, отличающаяся тем, что средство для подачи охлаждающей среды выполнено в виде вентилятора для подачи воздуха, установленного на входе в указанный спиральный канал.3. Спиральная машина по п.1, отличающаяся тем, что подвижный спиральный элемент выполнен со вторым спиральным ребром, расположенным с другой стороны его основания, при этом в корпусе установлен второй неподвижный спиральный элемент, аналогичный первому, находящийся в зацеплении со вторым спиральным ребром подвижного спирального элемента, а машина снабжена вторым средством для подачи охлаждающей среды.4. Спиральная машина по п.3, отличающаяся тем, что второе указанное средство для подачи охлаждающей среды выполнено в виде вентилятора, установленного на входе в спиральный канал, образованный вторым спиральным ребром второго неподвижного элемента, поверхностью основания второго неподвижного спирального элемента со стороны второго спирального ребра и корпусом машины.5. Спиральная машина по п.1 или 3, отличающаяся тем, что каждый неподвижный спиральный элемент выполнен из материала с высокой теплопроводностью.6. Спиральная машина по п.1 или 3, отличающаяся тем, что второе спиральное ребро каждого неподвижного спирального элемента выполнено за одно целое с основанием или составным с основанием.7. Спиральная машина по п.6, отличающаяся тем, что второе спиральное ребро каждого неподвижного спирального элемента выполнено из материала с высокой теплопроводностью.8. Спиральная машина по п.1 или 3, отличающаяся тем, что на поверхности охлаждения каждого неподвижного спирального элемента нанесена искусственная шероховатость.9. Спиральная машина по п.1 или 3, отличающаяся тем, что отверстие нагнетания выполнено в штуцере нагнетания, закрепленном в отверстии, выполненном в основании неподвижного спирального элемента, и имеющем оребренную поверхность.10. Спиральная машина по п.2 или 4, отличающаяся тем, что каждый вентилятор снабжен автономным приводом.11. Спиральная машина по п.10, отличающаяся тем, что автономный привод вентилятора снабжен частотным преобразователем.12. Спиральная машина по п.2 или 4, отличающаяся тем, что каждый вентилятор снабжен приводом, содержащим промежуточный валик, установленный в корпусе на опорах качения и соединенный с помощью ременной передачи с эксцентриковым валом и с каждым вентилятором.13. Спиральная машина по п.1 или 3, отличающаяся тем, что каждое средство для подачи охлаждающей среды выполнено в виде насоса для подачи жидкого хладоносителя, и соединенного с расширительным баком и охладителем жидкого хладоносителя.