РОТОРНО-ЛОПАСТНОЕ УСТРОЙСТВО И РОТОР Российский патент 2020 года по МПК F01C21/08 F04C2/344 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к роторно-лопастному устройству и, в частности, но не исключительно, к роторно-лопастному двигателю или насосу. Изобретение также относится к роторному узлу, пригодному для использования в таком роторно-лопастном устройстве.

Роторные двигатели и насосы хорошо известны из уровня техники. В одном распространенном варианте осуществления этой технологии используется ротор, имеющий множество лопастей, проходящих от него в радиально наружном направлении, при этом лопасти выполнены с возможностью смещения по радиусу относительно ротора. Более конкретно, лопасти на роторно-лопастном устройстве входят в ротор и выходят из него при перемещении вдоль внутренних стенок корпуса ротора. Центробежная сила или пружины используются, чтобы поджимать лопасти в направлении или вплотную к внешней стенке. Вращаясь в выдвинутом состоянии, эти лопасти, приводимые в движение ротором, подстраиваются по профилю корпуса (или цилиндра). Смещаемые лопасти, применяемые в сочетании с ротором, установленным со смещением относительно цилиндрического корпуса, в который он помещен, приводят к образованию камер переменного объема между ротором и корпусом, при этом объем камеры изменяется при вращении ротора внутри корпуса.

Распространенные варианты применения роторно-лопастного насоса включают в себя компрессоры гидравлической жидкости и воздушные компрессоры, например, на воздушном судне или грузовике. Небольшие роторно-лопастные насосы могут также применяться в качестве дозаторов напитков, медицинских дозирующих насосов, водяных насосов на судовых двигателях, пневматических перфораторов и во многих других областях. Материалы, используемые для изготовления насоса и лопастей, могут быть модифицированы для высокотемпературных промышленных применений, таких как нагнетание воздуха в печь или турбонаддув двигателя. Роторно-лопастные насосы также хорошо работают в качестве вакуумных насосов для, например, применения на воздушных судах, в лабораторных вакуумных системах, медицинских применений, а также для откачивания и утилизации хладагентов из систем кондиционирования воздуха. Роторно-лопастные двигатели также известны из уровня техники.

Для сохранения эффективности роторно-лопастного устройства между концом смещаемой лопасти и поверхностью корпуса требуется хорошее уплотнение. Центробежные силы, прикладываемые к лопастям, сами по себе способствуют образованию хорошего динамического уплотнения между концом лопасти и внутренней поверхностью корпуса ротора. Однако в некоторых случаях центробежных сил оказывается недостаточно, в связи с чем было предложено использовать пружины для увеличения направленного наружу смещения вращающихся лопастей. Вместе с тем, пружины изнашиваются со временем, что неблагоприятно сказывается на эксплуатационных характеристиках и надежности роторно-лопастного устройства, содержащего подпружиненные лопасти. Кроме того, это также усложняет техническое обслуживание устройства.

Для обеспечения требуемого смещения было предложено использовать магниты вместо пружин. Хотя это успешно работает, в определенных применениях с данным решением связаны некоторые недостатки. Например, пространство для установки магнитов как в лопастях ротора, так и в теле ротора ограничено, и максимальный магнитный поток, который может быть получен, ограничен поэтому размером и числом магнитов, которые могут быть использованы вследствие геометрических ограничений. Один из способов устранения этого недостатка представлен в одновременно находящейся на рассмотрении заявке ZA2014/03295 заявителя, озаглавленной «Роторно-лопастное устройство» (Rotary Vane Device), содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки. В этом варианте осуществления магниты ротора расположены в теле ротора рядом с лопастями, а не ниже пазов лопастей во время эксплуатации, как известно из применений предшествующего уровня техники.

Другой недостаток, связанный с существующими решениями на основе магнитов, состоит в том, что лопасти должны быть также достаточно толстыми, чтобы в них можно было помещать магнит подходящего размера, поэтому в процессе работы они занимают ценный объем камеры.

Существующие роторы, кроме того, как правило, выполнены из ферромагнитных материалов, которые оказывают влияние на магнитный поток, создаваемый магнитами, и, тем самым, препятствуют эффективности магнитного смещения.

В качестве примера существующего решения в этой области можно рассмотреть источник US 4132512 А (02.01.1979), где для выдвижения или убирания лопастей используются лопастные и роторные магниты, при этом полюс лопастного магнита выборочно вводится во взаимодействие либо с одноименным полюсом, либо с разноименным полюсом со стороны ротора.

Соответственно, целью настоящего изобретения является обеспечение роторного устройства, которое будет, по меньшей мере частично, смягчать вышеуказанные недостатки.

Целью настоящего изобретения также является обеспечение роторного устройства, которое будет полезной альтернативой существующим роторным устройствам.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение ротора для использования в роторном устройстве, который будет, по меньшей мере частично, смягчать вышеуказанные недостатки.

Другой целью настоящего изобретения является обеспечение ротора для роторного устройства, который будет полезной альтернативой существующим роторам.

Сущность изобретения

В соответствии с изобретением предлагается ротор, пригодный для использования в роторном устройстве, который включает в себя:

цилиндрическое тело ротора, содержащее множество продольно проходящих приемных пазов, при этом цилиндрическое тело ротора дополнительно содержит полый сердечник, расположенный радиально внутри относительно приемных пазов;

множество лопастей, при этом каждая лопасть выполнена с возможностью подвижного размещения внутри приемного паза;

отличающийся тем, что лопасти смещаются в сторону от цилиндрического ротора за счет компоновки магнитов, включающей в себя лопастные магниты, расположенные в лопастях, и противоположно направленные роторные магниты, расположенные внутри полого сердечника тела ротора.

Предусмотрено, что по меньшей мере один лопастной магнит расположен ближе к функционально внутренней концевой зоне каждой лопасти.

Предпочтительно, по меньшей мере один лопастной магнит расположен на конце лопасти, обращенном к полому сердечнику.

Предусмотрено, что по меньшей мере один роторный магнит расположен внутри полого сердечника ротора.

Предпочтительно, множество магнитов сердечника расположены внутри полого сердечника.

Предусмотрено, внутри сердечника расположены два роторных магнита противоположной полярности, чтобы два магнита отталкивались друг от друга внутри сердечника. Эти два магнита могут привести к возникновению первой магнитной полярности, сформированной в проксимальной зоне сердечника, и противоположных полярностей, сформированных на дистальных концах сердечника.

Предпочтительно предусматривается, что каждый из двух роторных магнитов в сердечнике содержит набор отдельных магнитов, уложенных торцами друг к другу для формирования функционально единого магнита.

Тело ротора может быть выполнено в виде, по существу, сплошной цилиндрической конструкции с приемными пазами и полым сердечником, предусмотренным в сплошной цилиндрической конструкции.

Один конец полого сердечника может быть глухим, тогда как противоположный конец полого сердечника может быть открытым концом.

Ротор может содержать заглушку для закрывания открытого конца полого сердечника с возможностью съема.

Предусмотрено, что тело ротора изготовлено из немагнитного материала.

Предпочтительно, тело ротора изготовлено из неферромагнитного материала.

Дополнительный признак заявленного изобретения состоит в том, что между полым сердечником и приемными пазами проходят сквозные отверстия.

Более конкретно, предусмотрено, что отверстия проходят в радиально наружном направлении от полого сердечника к приемным пазам, а более конкретно - к основанию приемных пазов. В каждом приемном пазу, конкретно - в основании каждого приемного паза, могут быть предусмотрены по меньшей мере два отверстия, при этом каждое отверстие находится вблизи от места расположения лопастного магнита внутри лопасти, располагающейся в приемном пазу, чтобы ограничивать экранирующий эффект, создаваемый телом ротора.

Краткое описание чертежей

Вариант осуществления изобретения раскрыт при помощи неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг. 1 показан вид в аксонометрии с пространственным разделением деталей роторного узла для использования в роторном устройстве в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 2 показан вид в аксонометрии смонтированного роторного узла, представленного на фиг. 1, расположенного внутри корпуса ротора, чтобы образовать роторное устройство;

на фиг. 3 показан вид с торца в поперечном разрезе роторного устройства, представленного на фиг. 2;

на фиг. 4 показан схематический вид сбоку в поперечном разрезе другого варианта осуществления роторного узла в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное раскрытие изобретения

Как показано на чертежах, на которых одинаковые позиционные обозначения указывают на одинаковые элементы, неограничивающие примеры роторных устройств в соответствии с настоящим изобретение в общем случае обозначены номером позиции 10.

Роторное устройство 10 содержит роторный узел 11, размещаемый внутри комплементарного корпуса 12 ротора так, чтобы образовывать часть роторного устройства. Деталировка компонентов может различаться и не имеет существенного значения, поскольку деталировка роторного устройства будет обусловлена конкретной целью, для которой должно использоваться устройство. Принципы, лежащие в основе настоящего изобретения, могут, например, находить применение в роторных насосах, роторных компрессорах и роторных двигателях при условии, что в конкретном роторном устройстве используются лопасти, выполненные с возможностью смещения по радиусу.

Ротор 11 содержит тело 20 ротора и множество лопастей 30, выходящих из тела ротора с возможностью смещения. Тело 20 ротора имеет цилиндрическую конфигурацию и круговое поперечное сечение. Длина и диаметр тела зависят от объема цилиндра, необходимого для конкретного применения. В теле предусмотрено множество приемных пазов 22, проходящих параллельно продольной оси цилиндрического тела. В общей сложности, в этом конкретном варианте осуществления шесть приемных пазов 22, расположенных на равном расстоянии друг от друга, проходят в радиально наружном направлении от центра тела 20 ротора, тем самым, разделяя тело 20 ротора на шесть секторов.

Тело 20 ротора имеет полый сердечник 25 (или канал), при этом один конец полого сердечника 25 является закрытым, глухим, концом 25.1, а противоположный конец 26 открыт в окружающую среду, но может избирательно закрываться, например, заглушкой 50. Заглушка 50 и открытый конец 26 канала могут, например, иметь сопрягаемую резьбу. В центре тела 20 ротора образована, таким образом, центральная герметизируемая полость. Следует отметить, что приемные пазы 22 не проходят до конца к полому сердечнику, но что нижние концы приемных пазов 22 отделены от полого сердечника кольцевой стенкой 28. В этой кольцевой стенке 28 предусмотрены отверстия 27, которые проходят в радиально наружном направлении от внутреннего канала 25 к приемным пазам 22. Отверстия 27 расположены вблизи от роторных магнитов 33 (рассматриваемых ниже) и служат для уменьшения экранирующего эффекта кольцевой стенки 28, тем самым, увеличивая магнитный поток, воздействию которого подвергаются лопастные магниты 33. Тело 20 ротора выполнено из неферромагнитного материала, чтобы уменьшить влияние тела 20 на магнитное поле и магнитный поток, образуемые роторными магнитами.

Роторные магниты 23 (что означает магниты, расположенные в роторе) расположены внутри полого сердечника 25 тела 20 ротора. Два магнита или, альтернативно, два набора магнитов, каждый из которых функционирует в качестве единого магнита, размещены внутри сердечника 25. Магниты ориентированы таким образом, чтобы ось север-юг магнитов была коаксиальна с продольной осью полого сердечника 25. Два магнита или, альтернативно, два набора магнитов, имеют обратную ориентацию, чтобы одинаковые полюса магнитов были обращены друг к другу в проксимальной зоне полого сердечника 25, и чтобы, вследствие этого, два магнита или набора магнитов отталкивали друг друга. В этом примере северные полюса расположены в проксимальной зоне сердечника 25, тогда как южные полюса расположены на противоположных дистальных концах сердечника 25. Результирующий эффект этого заключается в том, что в проксимальной зоне полого сердечника 25 образуется совокупный северный полюс, тогда как в дистальных зонах полого сердечника 25 образуются два южных полюса. Преимущество этой компоновки состоит в том, что магнитный поток может быть значительно больше, чем в вариантах осуществления, где роторные магниты расположены рядом с каждым из приемных пазов. Благодаря уменьшению геометрических ограничений, связанных с компоновкой, при которой роторные магниты помещаются в полом сердечнике, магниты можно использовать в большем количестве и большего размера. Вышесказанное также означает, что может быть уменьшен и размер лопастных магнитов 33, о чем подробнее сказано ниже.

Каждая лопасть 30 имеет вид блока 31 материала, выполненного так и имеющего такие размеры, чтобы входить внутрь приемного паза 22. Лопастные магниты 33 (что означает магниты, расположенные в лопастях) предусмотрены в концевой зоне лопасти, которая во время работы будет помещаться внутри приемного паза 22, и, более конкретно, помещаются на торцевой поверхности концевой зоны. Лопастные магниты 33 и роторные магниты 23 выполнены с возможностью противодействия друг другу, чтобы лопасти смещались в сторону от тела ротора. Противоположный конец 32 лопасти 30 является, по меньшей мере частично, дугообразным или конусовидным и во время работы примыкает к внутренней стенке 12.1 корпуса ротора и образует уплотнение относительно нее. Эффект, создаваемый этой компоновкой, состоит в том, что магниты обеспечивают поджимающее усилие, аналогичное тому, которое обычно обеспечивают пружины, но без дополнительных проблем сложности и надежности, связанных с пружинами. Компоновка магнита, таким образом, обеспечивает постоянное поджатие лопастей к корпусу ротора так, чтобы обеспечить образование постоянного эффективного уплотнения между ротором и статором.

В одном из примеров, например, в варианте осуществления, показанном на фиг. 4, в проксимальной зоне каждой лопасти 30 предусмотрен второй набор лопастных магнитов 34. Полярность второго набора лопастных магнитов 34 будет обратной по отношению к полярности первого набора лопастных магнитов 33, чтобы полярность второго набора лопастных магнитов 34 противодействовала полярности на внутренних концах роторных магнитов 23. Это увеличит силу, приложенную к лопастям 30. В этом варианте осуществления отверстия 27 также будут предусматриваться в теле 20 ротора в проксимальной зоне кольцевого пространства 28 внутри ротора.

Следует понимать, что хотя на фиг. 4 показаны четыре магнита, входящих в набор магнитов ротора, эти четыре магнита действуют как единый магнит с концевым северным полюсом (в этом случае - в проксимальной зоне полого сердечника) и концевым южным полюсом (в этом варианте осуществления - в дистальных зонах полого сердечника). Таким образом, может использоваться любое число магнитов (даже два одиночных удлиненных магнита) при условии, что они образуют концевые северный и южный полюса. То обстоятельство, что ось полярности (ось, проходящая через полюса магнитов) роторных магнитов перпендикулярна относительно осей полярности лопастных магнитов, создает возможность использования магнита с увеличенным потоком внутри полого сердечника, так как это позволяет использовать по существу всю длину сердечника.

В этом варианте осуществления магниты ротора создают более сильный магнитный поток за счет следующих факторов:

- использование неферромагнитного тела ротора;

- использование магнитов ротора большего размера (т.е. более сильных) и в большем количестве благодаря помещению в полом сердечнике 25; и

- обеспечение отверстий 27.

Благодаря этому более сильному магнитному потоку, требуемый магнитный поток лопастных магнитов 33 уменьшается, поэтому лопастные магниты могут иметь меньший размер. Это означает, что толщина лопастей 30 теперь также может быть уменьшена, что приводит к уменьшению трения, и что также позволяет использовать больше ступеней или камер - в данном случае шесть.

Следует понимать, что приведенное выше описание представляет собой только один вариант осуществления изобретения, и что многие изменения могут быть внесены без отступления от существа и объема настоящего изобретения.

Группа изобретений относится к роторно-лопастному устройству и к ротору, пригодному для использования в таком устройстве. Ротор 11 содержит цилиндрическое тело 20 ротора 11, содержащее множество продольно проходящих приемных пазов 22, и множество лопастей 30. Тело 20 содержит полый сердечник 25, расположенный радиально внутри относительно пазов 22. Каждая лопасть 30 выполнена с возможностью подвижного размещения внутри паза 22. Лопасти 30 выполнены с возможностью смещения в сторону от ротора 11 за счет компоновки магнитов, включающей в себя лопастные магниты 33, расположенные в лопастях 30, и противоположно направленные роторные магниты 23, расположенные внутри сердечника 25. По меньшей мере два роторных магнита 23 противоположной полярности расположены внутри сердечника 25, чтобы обеспечивать отталкивание двух магнитов друг от друга внутри сердечника 25. Группа изобретений направлена на повышение эффективности магнитного смещения. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ротор, пригодный для использования в роторном устройстве, содержащий:

цилиндрическое тело ротора, содержащее множество продольно проходящих приемных пазов, при этом цилиндрическое тело ротора дополнительно содержит полый сердечник, расположенный радиально внутри относительно приемных пазов; и

множество лопастей, при этом каждая лопасть выполнена с возможностью подвижного размещения внутри приемного паза;

причем лопасти выполнены с возможностью смещения в сторону от цилиндрического ротора за счет компоновки магнитов, включающей в себя лопастные магниты, расположенные в лопастях, и противоположно направленные роторные магниты, расположенные внутри полого сердечника тела ротора; и

причем по меньшей мере два роторных магнита противоположной полярности расположены внутри сердечника, чтобы обеспечивать отталкивание двух магнитов друг от друга внутри сердечника.

2. Ротор по п. 1, в котором по меньшей мере один лопастной магнит расположен ближе к функционально внутренней концевой зоне каждой лопасти.

3. Ротор по п. 1 или 2, в котором по меньшей мере один роторный магнит расположен внутри полого сердечника ротора.

4. Ротор по п. 3, в котором каждый из двух роторных магнитов в сердечнике содержит набор отдельных магнитов, уложенных торцами друг к другу для формирования функционально единого магнита.

5. Ротор по любому из пп. 1-4, в котором тело ротора имеет вид, по существу, сплошной цилиндрической конструкции с приемными пазами и полым сердечником, предусмотренным в сплошной цилиндрической конструкции.

6. Ротор по любому из пп. 1-5, в котором тело ротора выполнено из немагнитного материала.

7. Ротор по любому из пп. 1-6, в котором между полым сердечником и приемными пазами проходят отверстия.

8. Ротор по п. 7, в котором отверстия проходят в радиально наружном направлении от полого сердечника к основанию приемных пазов.

9. Ротор по п. 7 или 8, в котором по меньшей мере два отверстия предусмотрены в каждом приемном пазу, при этом каждое отверстие находится вблизи от места расположения лопастного магнита внутри лопасти, расположенной в приемном пазу, чтобы ограничивать экранирующий эффект, создаваемый телом ротора.

10. Роторно-лопастное устройство, включающее в себя ротор по любому из пп. 1-9.