ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ РОТОРНЫЙ ПЛАСТИНЧАТЫЙ НАГНЕТАТЕЛЬ Российский патент 2024 года по МПК F04C18/44 F04C18/46 

Изобретение относится к нагнетательным установкам объемного типа, в частности к компрессорам, и может использоваться для создания повышенного давления перемещаемой газовой среды или в качестве вакуум-насоса.

Известны нагнетатели с возвратно-поступательным движением рабочего органа - поршня или диафрагмы [1]. К их недостаткам относится динамическая неуравновешенность движущихся масс, конструктивная сложность и наличие клапанов.

По отношению к поршневым, более компактными, имеющими меньший вес и не требующими специального фундамента, являются бесклапанные нагнетатели с вращательным движением рабочего органа, к числу которых относится, в частности, ротационно-пластинчатый компрессор [2], обеспечивающий равномерную подачу перемещаемой среды. Устройство [2] компактно, динамически уравновешенно, имеет относительно высокую производительность. Отсутствие рабочих клапанов в устройстве [2] дает возможность использовать высокоскоростной привод рабочего органа. Недостатком является интенсивный износ пластин ротора и возможность их защемления в пазах ротора.

В известном роторном компрессоре [3] для уменьшения износа пластин ротора устанавливается дополнительная вращающаяся втулка с продольными окнами между цилиндрическим статором и эксцентрично расположенным в нем ротором с радиальными пазами и размещенными в пазах пластинами. Наличие дополнительной вращающейся втулки в известном устройстве [3] усложняет конструкцию и снижает его надежность. В процессе эксплуатации устройства увеличивается зазор между трущимися поверхностями вращающейся втулки и неподвижного статора из-за их износа, что приводит к возрастанию неконтролируемых перетоков перемещаемой среды между зонами нагнетания и всасывания.

В известном роторном пластинчатом нагнетателе [4] пластины в пазах ротора наклонены в сторону вращения приводного вала, что несколько снижает опасность защемления пластин при радиальных их перемещениях из-за более благоприятного направления результирующего усилия, действующего на каждую пластину, по отношению к радиальному расположению пластин в пазах ротора. К недостаткам устройства [4] и устройств [2, 3] относится массивность ротора, что наряду с повышенной материалоемкостью на его изготовление приводит к повышенному пусковому току в приводном электродвигателе, так как при пуске устройств в работу необходимо преодолевать значительную силу инерции покоя массивного ротора, а также ограничение частоты вращения ротора из-за недопущения окружной скорости концов пластин величиной выше примерно 13 м/с. Превышение данной величины скорости приводит к быстрому износу пластин. Общим недостатком одноступенчатых роторных пластинчатых нагнетателей [2, 3, 4] является ограничение создаваемого напора перемещаемой среды величиной примерно 1 МПа, что сужает диапазон их применения.

Увеличить создаваемый напор в роторном пластинчатом нагнетателе позволяет использование нескольких ступеней сжатия.

В известном двухступенчатом роторном пластинчатом нагнетателе [5] (прототип), содержащем цилиндрические корпусы первой и второй ступеней сжатия с окнами на стенках, торцовые крышки цилиндрического корпуса первой ступени сжатия, эксцентрично расположенный внутри цилиндрического корпуса первой ступени сжатия ротор с приводным валом, который посажен на подшипники в ступице торцовой крышки, пластины ротора, входные и выходные патрубки первой и второй ступеней сжатия, промежуточный холодильник, наличие второй ступени сжатия, которая по своему конструктивному принципу повторяет первую ступень, позволяет расширить диапазон создаваемого напора до 1,5 МПа. Конструкция нагнетателя [5] сложна, он трудоемок в изготовлении и имеет высокую удельную материалоемкость. Сохраняется опасность защемления пластин в пазах роторов первой и второй ступеней сжатия и высокий износ пластин.

Техническая проблема заключается в упрощении конструкции и повышении надежности работы двухступенчатого роторного пластинчатого нагнетателя.

Поставленная проблема решается тем, что двухступенчатый роторный пластинчатый нагнетатель, содержащий цилиндрические корпусы первой и второй ступеней сжатия с окнами на стенке, торцовые крышки цилиндрического корпуса первой ступени сжатия, эксцентрично расположенный внутри цилиндрического корпуса первой ступени сжатия ротор с приводным валом, который посажен на подшипники в ступице торцовой крышки, пластины ротора, входные и выходные патрубки первой и второй ступеней сжатия, промежуточный холодильник, имеет ротор, состоящий из обечайки в форме многогранника и торцовой стенки, соединенной с приводным валом, на внешней и внутренней поверхностях стенки обечайки ротора установлены шарниры, с которыми одной своей кромкой соединены пластины ротора с возможностью их поворота вокруг осей шарниров, между пластинами ротора и стенкой обечайки ротора установлены пружины, цилиндрический корпус второй ступени сжатия расположен эксцентрично внутри ротора, имеет входные окна и жестко соединен одной своей торцовой кромкой с торцовой крышкой, а с другой торцовой стороны закрыт глухой стенкой, входной и выходной патрубки второй ступени сжатия установлены на торцовой крышке.

Совокупность отличительных признаков позволяет упростить конструкцию и повысить надежность работы двухступенчатого роторного пластинчатого нагнетателя по отношению к прототипу [5]. Исполнение ротора из обечайки в форме многогранника и торцовой стенки, соединенной с приводным валом способствует уменьшению удельной материалоемкости нагнетателя. Наличие на внешней и внутренней поверхностях стенки обечайки ротора шарниров, с которыми одной своей кромкой соединены пластины ротора с возможностью их поворота вокруг осей шарниров, размещение между пластинами ротора и стенкой обечайки ротора пружин, позволяет устранить опасность защемления пластин и уменьшить их износ. Эксцентричное расположение внутри ротора цилиндрического корпуса второй ступени сжатия, имеющего входные окна и жестко соединенного одной своей торцовой кромкой с торцовой крышкой, а с другой торцовой стороны закрытого глухой стенкой, размещение входного и выходного патрубков второй ступени сжатия на торцовой крышке, обеспечивает высокую компактность устройства, упрощает его конструкцию, способствует уменьшению удельной материалоемкости.

Таким образом, совокупность отличительных признаков изобретения позволяет решить поставленную проблему.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».

Известные одноступенчатые устройства [2, 3, 4], работающие по тому же принципу действия, создают более низкий напор, конструктивно сложнее, менее эффективны и надежны в работе.

Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «существенные отличия».

На фиг. 1 схематично показан поперечный разрез предлагаемого двухступенчатого роторного пластинчатого нагнетателя; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

Двухступенчатый роторный пластинчатый нагнетатель содержит цилиндрический корпус 1 первой ступени сжатия с входными 2 и выходными 3 окнами. С цилиндрическим корпусом 1 соединены входной 4 и выходной 5 патрубки первой ступени сжатия, торцовая крышка 6 с установленными на ней входным 7 и выходным 8 патрубками второй ступени сжатия и фланцевая торцовая крышка 9 со ступицей 10. Внутри цилиндрического корпуса 1 первой ступени сжатия, эксцентрично с ним, расположен ротор 11, состоящий из обечайки 12, имеющей форму многогранника, и торцовой стенки 13, соединенной с приводным валом 14, который посажен на подшипники 15 в ступице 10. На внешней и внутренней поверхностях стенки обечайки 12 ротора 11 установлены шарниры 16. С шарнирами 16 соединены одной своей кромкой пластины 17 ротора 11, имеющие возможность поворота вокруг осей шарниров 16. Между пластинами 17 и стенкой обечайки 12 установлены пружины 18. Внутри ротора 11, эксцентрично с ним, расположен цилиндрический корпус 19 второй ступени сжатия, имеющий входные окна 20. Цилиндрический корпус 19 второй ступени сжатия одной своей торцовой кромкой жестко соединен с торцовой крышкой 6, а с другой торцовой стороны закрыт глухой стенкой 21. В рассечке канала 22 для перемещаемой среды, соединяющего выходной патрубок 5 первой ступени сжатия и входной патрубок 7 второй ступени сжатия установлен промежуточный холодильник 23.

Двухступенчатый роторный пластинчатый нагнетатель работает следующим образом.

Перемещаемый сжимаемый газ поступает через входной патрубок 4 первой ступени сжатия и входные окна 2 во внутреннее пространство цилиндрического корпуса 1 первой ступени сжатия, ограниченное торцовой крышкой 6, фланцевой торцовой крышкой 9, обечайкой 12 ротора 11, внешними пластинами 17 ротора 11, находящимися в состоянии с наибольшим углом поворота вокруг осей шарниров 16 под действием внешних пружин 18. При вращении приводного вала 14, посаженного на подшипники 15 в ступице 10 и соединенного с торцовой стенкой 13, и вместе с ним ротора 11 по часовой стрелке (см. фиг. 1), с уменьшением угла поворота пластин 17 объем между пластинами уменьшается и перемещаемый газ сжимается. В состоянии внешних пластин 17 с наименьшим углом поворота вокруг осей шарниров 16 перемещаемый газ сжимается до давления первой ступени сжатия и проходит через выходные окна 3 в выходной патрубок 5, откуда по присоединенному каналу 22 поступает в промежуточный холодильник 23. Охлажденный в промежуточном холодильнике 23 газ направляется через входной патрубок 7 во внутреннее пространство ротора 11, ограниченное его обечайкой 12, торцовой стенкой 13, торцовой крышкой 6, цилиндрическим корпусом 19 второй ступени сжатия и внутренними пластинами 17, находящимися в состоянии с наибольшим углом поворота вокруг осей шарниров 16 под действием внутренних пружин 18. При вращении ротора 11 угол поворота внутренних пластин 17 изменяется и вместе с этим изменяются объемы газа, заключенные между смежными пластинами 17, и давление газа в этих объемах. В состоянии внутренних пластин 17 с наименьшим углом их поворота перемещаемый газ приобретает давление второй ступени сжатия, проходит через входные окна 20 в пространство цилиндрического корпуса 19 второй ступени сжатия с глухой стенкой 21, откуда через выходной патрубок 8 выводится из устройства.

Плотное примыкание кромок внешних и внутренних пластин 17 к цилиндрическим корпусам 1 и 19 при вращении ротора 11 и изменении при этом углов поворота пластин 17 обеспечивается за счет действия пружин 18, жесткость которых увеличивается с уменьшением углов поворота пластин и наоборот - уменьшается с увеличением углов. Изменение жесткости пружин 18 в пределах от максимального ее значения до минимального на каждой половине оборота вращающегося ротора 11 и соответственно силы прижатия пластин к цилиндрическим корпусам 1 и 19 способствует снижению износа пластин 17 и эффективному сжатию перемещаемого газа до необходимого давления. Понижает износ пластин 17 и наличие образующихся в процессе работы устройства тонких пленок перемещаемого газа между кромками пластин и поверхностями стенок цилиндрических корпусов 1 и 19. Данные пленки служат своего рода смазкой и уменьшают затраты энергии на преодоление сил трения. Работа нагнетателя возможна с высокой частотой вращения ротора 11 без защемления пластин 17 и их активного износа.

С целью приближения процесса сжатия газа к изотермическому, цилиндрические корпусы 1 и 19 могут выполняться оборудованными водяными рубашками.

Предлагаемый двухступенчатый роторный пластинчатый нагнетатель имеет следующие преимущества по отношению к аналогичным устройствам:

- простая конструкция;

- технологичность изготовления и удобство обслуживания;

- меньшие удельные материалозатратность при изготовлении и энергозатратность при эксплуатации;

- повышенные эффективность и надежность;

- малошумность при работе;

- высокий к.п.д.;

- уменьшенный износ трущихся элементов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Калинушкин М.П. Гидравлические машины и холодильные установки. М.: Высшая школа, 1973. С. 102 (рис. V-2, V-3), с. 107 (рис. V15).

2. Абдурашитов С.А., Тупенченков А.А., Вершинин И.М., Тененгольц С.М. Насосы и компрессоры. М.: Недра, 1974. С. 269 (рис. 12. 4).

3. Евразийский патент №005220, МПК F04C 18/344. Опубл. 2004.12.30.

4. Касьянов В.М. Гидромашины и компрессоры. М.: Недра, 1979. С. 202 (рис. 32.1).

5. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М.: Энергия, 1977. С. 383 (рис. 14-4).

Изобретение относится к нагнетательным установкам объемного типа. Двухступенчатый роторный пластинчатый нагнетатель содержит цилиндрические корпусы первой и второй ступеней сжатия с окнами на стенке, торцовые крышки цилиндрического корпуса первой ступени сжатия, эксцентрично расположенный внутри цилиндрического корпуса первой ступени сжатия ротор с приводным валом, который посажен на подшипники в ступице торцовой крышки, пластины ротора, входные и выходные патрубки первой и второй ступеней сжатия, промежуточный холодильник. Ротор состоит из обечайки в форме многогранника и торцовой стенки, соединенной с приводным валом. На внешней и внутренней поверхностях стенки обечайки ротора установлены шарниры, с которыми одной своей кромкой соединены пластины ротора с возможностью их поворота вокруг осей шарниров. Между пластинами ротора и стенкой обечайки ротора установлены пружины. Цилиндрический корпус второй ступени сжатия расположен эксцентрично внутри ротора, имеет входные окна и жестко соединен одной своей торцовой кромкой с торцовой крышкой, а с другой торцовой стороны закрыт глухой стенкой. Входной и выходной патрубки второй ступени сжатия установлены на торцовой крышке. Изобретение направлено на упрощение конструкции и повышение надежности работы двухступенчатого роторного пластинчатого нагнетателя. 2 ил.

Двухступенчатый роторный пластинчатый нагнетатель, содержащий цилиндрические корпусы первой и второй ступеней сжатия с окнами на стенке, торцовые крышки цилиндрического корпуса первой ступени сжатия, эксцентрично расположенный внутри цилиндрического корпуса первой ступени сжатия ротор с приводным валом, который посажен на подшипники в ступице торцовой крышки, пластины ротора, входные и выходные патрубки первой и второй ступеней сжатия, промежуточный холодильник, отличающийся тем, что ротор состоит из обечайки в форме многогранника и торцовой стенки, соединенной с приводным валом, на внешней и внутренней поверхностях стенки обечайки ротора установлены шарниры, с которыми одной своей кромкой соединены пластины ротора с возможностью их поворота вокруг осей шарниров, между пластинами ротора и стенкой обечайки ротора установлены пружины, цилиндрический корпус второй ступени сжатия расположен эксцентрично внутри ротора, имеет входные окна и жестко соединен одной своей торцовой кромкой с торцовой крышкой, а с другой торцовой стороны закрыт глухой стенкой, входной и выходной патрубки второй ступени сжатия установлены на торцовой крышке.