ВИНТОВОЙ КОМПРЕССОР С КОНИЧЕСКИМИ РОТОРАМИ Российский патент 2012 года по МПК F04C18/16 

Изобретение относится к области энергомашиностроения, а именно - к роторным винтовым машинам, а также к винтовым компрессорам и винтовым двигателям.

Под термином "компрессоры" или "компрессорные машины" в общем случае объединяют все машины, которые предназначены для преобразования механической энергии двигателя в энергию сжатого газа и его перемещения.

В зависимости от того, сообщается ли газу потенциальная или кинетическая энергия, компрессорные машины можно разделить на две группы: компрессоры объемного и динамического действия.

В компрессорах объемного действия газу непосредственно сообщается потенциальная энергия давления путем сжатия его с помощью поршня, совершающего возвратно-поступательное (в поршневых компрессорах) или вращательное (в роторных компрессорах) движение. В роторных компрессорах объемного действия путем смены направления вращения роторов происходит переключение машины из режима компрессора в режим газового мотора.

Широко известны винтовые компрессоры компании SRM (Швеция) для применения в различных отраслях промышленности, на транспорте, в технологических процессах, в системах," кондиционирования и для производства холода. Основными деталями винтовых компрессоров являются корпус, роторы с винтовой нарезкой специального профиля, подшипники, уплотнения, синхронизирующие шестерни.

Основным требованием при проектировании винтовых компрессоров является расчет и обеспечение минимальных зазоров в зацеплении винтовых частей, роторов, т.е. необходима повышенная точность изготовления винтовых частей роторов и корпуса.

Несоблюдение этих требований может привести к перераспределению зазоров между профилями в зацеплении винтовых частей роторов, а также между винтовыми частями и расточками корпуса, что приведет к касанию винтовых частей ведомого и ведущего роторов при работе компрессора и выходу последнего из строя.

В принципе зазоры между винтами и между винтами и корпусом желательно иметь нулевые; практически их приходится допускать не менее минимально безопасной величины.

В общем виде требования к зацеплению винтов состоят в следующем:

- зацепление винтов должно обеспечивать герметичность между областями выпуска и впуска, т.е. в нормальном к плоскости осей винтов направлении;

- зацепление винтов должно обеспечивать герметичность между парными полостями, т.е. в осевом (продольном) направлении.

На практике ни то, ни другое требование полностью не выполняется. Однако выполнение первого требования, как более важного, всегда обязательно и при проектировании и изготовлении должно быть основным. Выполнение второго требования в зависимости от условий работы компрессора иногда становится не только необязательным, но и нежелательным. И, напротив, в иных условиях выполнение второго требования приобретает большое значение.

Известен двухроторный агрегат, включающий:

- корпус, указанный корпус включает внутреннюю стенку, определяющую камеру впуска, впуск и выпуск соответственно расположенных в связи с камерой впуска указанного корпуса;

- втулку, установленную в камере впуска внутри корпуса, с возможностью осевого перемещения вдоль внутренней стенке корпуса, указанная втулка содержит внутреннюю стенку, определяющую камеру впуска и наружную стенку, присоединенную к внутренней стенке корпуса;

- О - кольцо, установленное сверху стенки втулки и расположенное между втулкой и корпусом, для уплотнения зазора между втулкой и корпусом;

- направляющее средство для движения втулки в осевом направлении относительно корпуса;

- два винтовых конических ротора, зацепляющихся между собой и установленных в камере впуска внутри втулки;

- электрическое приводное устройство для перемещения втулки аксиально в указанном корпусе относительно роторов, а также средства управления для контроля работы электрического приводного устройства, средство управления включает датчик давления, который реагирует на давление в камере впуска вблизи области впуска, для включения средств управления электрическими средствами в движение втулки с учетом давления определяемым датчиком давления (прототип - патент США №6257839 от 08.06.2000 г.).

Недостатком указанного устройства является недостаточная эффективность и надежность работы компрессора.

Задачей изобретения является повышение эффективных показателей работы компрессора, снижение энергопотребления, повышение надежности работы компрессора, предотвращение заклинивания винтов путем оптимизации зазоров.

Поставленная задача достигается тем, что в винтовом компрессоре с коническими роторами, включающем корпус компрессора, имеющий в срединной части полость под винтовые роторы и с примыкающими к ней полостями высокого и низкого давления и крайние части для размещения в их полостях подшипников, и установленный между внутренней стенкой корпуса и роторами с возможностью перемещения вдоль оси корпус винтов, управляемый устройством перемещения, согласно изобретению корпус винтов снабжен крышкой, установленной внутри корпуса компрессора с возможностью перемещения относительно корпуса винтов.

Причем привод для перемещения в осевом направлении корпуса винтов может быть выполнен в виде привода от электродвигателя через реечное зацепление.

Причем привод для перемещения в осевом направлении корпуса винтов может быть выполнен в виде привода от электродвигателя через винтовую пару.

Причем привод для перемещения в осевом направлении корпуса винтов может быть выполнен в виде гидропривода через гидроцилиндр.

Причем привод для перемещения в осевом направлении корпуса винтов снабжен системой управления, включающей микропроцессор и вибрационный датчик.

Причем крышка корпуса винтов снабжена не менее чем одним рычагом привода для перемещения в осевом направлении относительно корпуса компрессора.

Причем рычаг привода крышки корпуса винтов выполнен в форме двуплечего рычага, центр которого опирается на поверхность крышки корпуса подшипников на стороне выпуска, первое плечо рычага опирается на поверхность корпуса винтов, а второе плечо рычага опирается на поверхность крышки корпуса винтов.

Причем форма рычага выбрана таким образом, что перемещение одного плеча рычага в осевом направлении относительно корпуса компрессора соотносится с соответствующим перемещением другого плеча рычага в прямо противоположном направлении.

Причем между корпусом винтов и крышкой корпуса винтов установлен не менее чем один пружинный элемент.

Причем оси ведущего и ведомого винтов пересекаются в центральной точке С, торцы зубьев винтов и соответствующая поверхность крышки корпуса винтов выполнены в форме сферы с центром в точке С, внешняя поверхность зубьев винтов и соответствующих расточек в корпусе винтов выполнены в форме конусов с вершиной в точке С.

Причем вибрационный датчик расположен в корпусе подшипников на стороне выпуска в непосредственной близости от рычага.

На фиг.1 представлен винтовой компрессор с коническими роторами.

На фиг.2 представлено в увеличенном масштабе взаимное расположение рычага привода и взаимодействующих с ним деталей при увеличении зазоров между роторами и корпусом.

На фиг.3 представлено в увеличенном масштабе взаимное расположение рычага привода и взаимодействующих с ним деталей при уменьшении зазоров между роторами и корпусом.

На фиг.4 представлена в увеличенном масштабе схема регулирования зазоров путем перемещения рычага привода.

На фиг.5 показана конструкция винтового компрессора с коническими роторами.

На фиг.6 показаны окна впуска и выпуска, расположенные на корпусе винтового компрессора.

На фиг.7 показаны окна впуска и выпуска, расположенные на корпусе винтов и крышке корпуса винтов.

Винтовой компрессор включает:

1 - Вал ведущего винтового ротора

2 - Вал ведомого винтового ротора

3 - Ведущий винт

4 - Ведомый винт

5 - Корпус компрессора

6 - Корпус подшипников на стороне выпуска

7 - Окно впуска

8 - Окно выпуска

9 - Корпус винтов

10 - Крышка корпуса винтов

11 - Кромка впуска ведущего винта

12 - Кромка впуска ведомого винта

13 - Полость ведущего винта

14 - Рабочая полость ведомого винта

15 - Кромка окна выпуска корпуса винтов

16 - Кромка окна выпуска крышки корпуса винтов

17 - Корпус подшипников на стороне впуска

18 - Крышка корпуса подшипников на стороне выпуска

19 - Подшипники на стороне впуска

20 - Подшипники на стороне выпуска

21 - Привод корпуса винтов

22 - Рычаг привода крышки корпуса винтов

23 - Микропроцессор системы управления

24 - Вибрационный датчик

25 - Пружина

Описание конструкции винтового компрессора:

Винты 3 и 4 установлены на соответствующих валах 1 и 2 и вставлены в расточки винтов корпуса винтов 9.

Окно впуска воздуха корпуса винтов определяется кромками 11 и 12.

Окно выпуска корпуса винтов 15 подсоединено к окну выпуска 16 крышки корпуса винтов 10.

К корпусу винтов 9 со стороны выпуска подсоединена крышка корпуса винтов 10.

Окно впуска 7 компрессора с целью подвода рабочей среды подсоединено к окну впуска корпуса винтов 9.

Окно выпуска 8 компрессора с целью отвода рабочей среды подсоединено к окну выпуска 16 крышки корпуса винтов 10.

Корпус винтов 9 и крышка корпуса винтов 10 установлены внутри корпуса компрессора 5 с возможностью перемещения в осевом направлении относительно корпуса компрессора 5.

К корпусу компрессора 5 со стороны выпуска присоединен корпус подшипников на стороне выпуска 6.

К корпусу компрессора 5 со стороны впуска присоединен корпус подшипников на стороне впуска 17.

Подшипники на стороне впуска 19 установлены в корпус подшипников на стороне впуска 17.

Подшипники на стороне выпуска 20 установлены в корпус подшипников на стороне выпуска 6.

Валы ведомого и ведущего винтовых роторов 1 и 2 установлены с возможностью вращения в соответствующих подшипниках на стороне впуска 19 и подшипниках на стороне выпуска 20.

Ведущий винтовой ротор состоит из вала 1 и винта 3. Ведомый винтовой ротор состоит из вала 2 и винта 4. Винтовые роторы установлены внутри соответствующих расточек корпуса винтов 9 и снабжены приводом вращения через вал ведущего винтового ротора 1.

Оси винтов 3 и 4 пересекаются в центральной точке С, угол между осями винтов 3 и 4 составляет α>0. Торцы зубьев винтов 3 и 4 со стороны выпуска и соответствующая поверхность крышки корпуса винтов 10 выполнены в форме сферы с центром в центральной точке С и радиусом R_вып. Внешняя поверхность зубьев ведущего винта 3 и соответствующая расточка в корпусе винтов 9 выполнены в форме конуса с вершиной в точке С и с углом α₁ при вершине. Внешняя поверхность зубьев ведомого винта 4 и соответствующая расточка в корпусе винтов 9 выполнены в форме конуса с вершиной в точке С и с углом α₂ при вершине.

Корпус винтов 9 снабжен приводом 21 для перемещения в осевом направлении относительно корпуса компрессора 5. Привод 21 может быть выполнен в виде альтернативных вариантов, таких как привод от электродвигателя через реечное зацепление, привод от электродвигателя через винтовую пару, гидропривод через гидроцилиндр. Привод 21 снабжен системой управления, включающей микропроцессор 23 и не менее чем один вибрационный датчик 24.

Крышка корпуса винтов 10 снабжена не менее чем одним рычагом привода 22 для перемещения в осевом направлении относительно корпуса компрессора 5. Между корпусом винтов 9 и крышкой корпуса винтов 10 помещена пружина 25.

Рычаг привода крышки корпуса винтов 22 выполнен в форме двуплечего рычага, центр и плечи рычага образованы точками касания участков поверхности, рычага с соответствующими участками взаимодействующих поверхностей деталей 18, 9 и 10. Центр рычага 22 опирается в точке О на поверхность крышки корпуса подшипников на стороне выпуска 18, плечо рычага АО опирается в точке А на поверхность корпуса винтов 9, плечо рычага ОВ опирается в точке В на поверхность крышки корпуса винтов 10.

Форма рычага 22 выбрана таким образом, что перемещение h₁ точки касания А в осевом направлении относительно корпуса компрессора 5 соотносится с соответствующим перемещением h₂ точки касания В в прямо противоположном направлении, как h₁/h₂=2…20.

Вибрационный датчик 24 расположен в корпусе подшипников на стороне выпуска 18 в непосредственной близости от рычага 22.

Описание работы компрессора

Винты 3 и 4 при вращении образуют следующие друг за другом рабочие полости 13 и 14. Рабочая среда подводится к винтам через окно впуска 7 в корпусе компрессора 5. Кромки окна впуска 11 и 12 корпуса винтов 9 для ведущего винта 3 и ведомого винта 4 соответственно определяют окончание т процесса впуска и начала процесса сжатия рабочей среды внутри корпуса винтов 9. Кромки окна выпуска 15 и 16 для корпуса винтов 9 и для крышки корпуса винтов 10 соответственно определяют начало процесса выпуска. Рабочая среда отводится из компрессора через окно выпуска 8.

КПД работы винтового компрессора снижается при увеличении зазоров между винтами и корпусом выше оптимального значения, повышаются затраты мощности на привод вращения винтов. И наоборот, КПД работы винтового компрессора повышается при уменьшении зазоров между винтами и корпусом до оптимального значения, понижаются затраты мощности на привод вращения винтов.

При уменьшении зазоров между винтами и корпусом менее оптимального или минимально безопасного значения начинает происходить повышение потерь на трение винтов по корпусу, увеличивается тепловыделение в результате трения поверхностей зубьев винтов, повышается опасность заклинивания винтов в корпусе и в зацеплении зубьев винтов. Для предотвращения заклинивания винтов требуется увеличить зазоры между винтами и корпусом до оптимального или минимально безопасного значения.

Привод 21 выполняет регулирование зазоров между наружными поверхностями винтов 3, 4 и соответствующими внутренними поверхностями корпуса винтов 9 и крышки корпуса винтов 10. По команде микропроцессора 23 привод 21 выполняет перемещение h₁ корпуса винтов 9 в осевом направлении относительно корпуса винтов 9, при этом крышка корпуса винтов 10 выполняет перемещение h₂ в прямо противоположном направлении. Вибрационный датчика 24 выдает сигнал о вибрациях и акустической эмиссии в пространстве, расположенном в непосредственной близости от рычага 22.

Как показали расчеты, предлагаемое изобретение обеспечивает повышение эффективных показателей работы компрессора, снижение энергопотребления, повышение надежности работы компрессора, предотвращение заклинивания винтов путем оптимизации зазоров.

Изобретение относится к области энергомашиностроения, а именно к роторным винтовым машинам, а также к винтовым компрессорам и винтовым двигателям. В винтовом компрессоре с коническими роторами, включающем корпус компрессора 5, имеющий в срединной части полость под винтовые роторы 3, 4 и с примыкающими к ней полостями высокого и низкого давления и крайние части для размещения в их полостях подшипников 19, 20, и установленный между внутренней стенкой корпуса 5 и роторами 3, 4 с возможностью перемещения вдоль оси корпус винтов 9, управляемый устройством перемещения. Корпус винтов 9 снабжен крышкой 10, установленной внутри корпуса компрессора 5 с возможностью перемещения относительно корпуса винтов 9. Изобретение направлено на повышение эффективных показателей работы компрессора, снижение энергопотребления, повышение надежности работы компрессора, предотвращение заклинивания винтов путем оптимизации зазоров. 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Винтовой компрессор с коническими роторами, включающий корпус компрессора, имеющий в срединной части полость под винтовые роторы и с примыкающими к ней полостями высокого и низкого давления и крайние части для размещения в их полостях подшипников, и установленный между внутренней стенкой корпуса и роторами с возможностью перемещения вдоль оси корпус винтов, управляемый устройством перемещения, отличающийся тем, что корпус винтов снабжен крышкой, установленной внутри корпуса компрессора с возможностью перемещения относительно корпуса винтов.

2. Винтовой компрессор по п.1, отличающийся тем, что привод для перемещения в осевом направлении корпуса винтов может быть выполнен в виде привода от электродвигателя через реечное зацепление.

3. Винтовой компрессор п.1, отличающийся тем, что привод для перемещения в осевом направлении корпуса винтов может быть выполнен в виде привода от электродвигателя через винтовую пару.

4. Винтовой компрессор по п.1, отличающийся тем, что привод для перемещения в осевом направлении корпуса винтов может быть выполнен в виде гидропривода через гидроцилиндр.

5. Винтовой компрессор по п.1, отличающийся тем, что привод для перемещения в осевом направлении корпуса винтов снабжен системой управления, включающей микропроцессор и вибрационный датчик.

6. Винтовой компрессор по п.1, отличающийся тем, что крышка корпуса винтов снабжена не менее чем одним рычагом привода для перемещения в осевом направлении относительно корпуса компрессора.

7. Винтовой компрессор п.6, отличающийся тем, что рычаг привода крышки корпуса винтов выполнен в форме двуплечего рычага, центр которого опирается на поверхность крышки корпуса подшипников на стороне выпуска, первое плечо рычага опирается на поверхность корпуса винтов, а второе плечо рычага опирается на поверхность крышки корпуса винтов.

8. Винтовой компрессор по п.6, отличающийся тем, что форма рычага выбрана таким образом, что перемещение одного плеча рычага в осевом направлении относительно корпуса компрессора соотносится с соответствующим перемещением другого плеча рычага в прямо противоположном направлении.

9. Винтовой компрессор по п.1, отличающийся тем, что между корпусом винтов и крышкой корпуса винтов установлен не менее чем один пружинный элемент.

10. Винтовой компрессор по п.1, отличающийся тем, что оси ведущего и ведомого винтов пересекаются в центральной точке С, торцы зубьев винтов и соответствующая поверхность крышки корпуса винтов выполнены в форме сферы с центром в точке С, внешние поверхности зубьев винтов и соответствующих расточек в корпусе винтов выполнены в форме конусов с вершиной в точке С.

11. Винтовой компрессор по п.1, отличающийся тем, что вибрационный датчик расположен в корпусе подшипников на стороне выпуска в непосредственной близости от рычага.