Роторная машина Советский патент 1992 года по МПК F04C18/356 

Изобретение относится к области дви- гателестроения, в именно к двигателям, компрессорам и насосам роторного типа и может быть использовано в энергомашиностроении, тракторо- и автомобилестроении, тепловозе- и судостроении, в авиации и др. областях техники.

Известно много различных конструкций роторных машин, отличающихся режимами рабочих циклов, кинематическими особенностями. В то же время все известные конструкции роторных машин имеют ряд существенных недостатков, препятствующих их широкому применению. Общими недостатками известных конструкций роторных машин и двигателей являются плохое уплотнение границы между полостями низкого и высокого давления, сложность обеспечения качественного смесеобразования, охлаждения и смазки. Из-за указанных недостатков роторные машины имеют меньшую экономичность, более низкую надежность по сравнению с поршневыми двигателями и машинами.

Наиболее близким к предложенной конструкции роторной машины по совокупности существенных признаков и функциональному назначению является роторная машина, содержащая корпус с патрубками подвода и отвода рабочего тела, ротор, эксцентрично установленный в корпусе, и разделительный элемент, размещенный с возможностью контакта с ротором в пазу корпуса с образованием рабочих камер (А.С. № 1337554, МКИ F 02 С 2/356).

Известная конструкция роторной машины имеет ряд существенных недостатков, снижающих надежность, экономичность роторной машины: малые функцио чальные возможности, сложная конструкция ротора, низкий КПД из-за низкой герметичности между рабочими поверхностями ротора, корпуса и разделительного элемента, повысл

с

ч сл о о ы о

шейное трение разделительного элемента и ротора.

Целью изобретения является расшире ние функциональных возможностей, повышение КПД,

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемой роторной машине ротор выполнен в виде ци линдра и помещен в цилиндрический корпус таким образом, что ось вращения ротора смещена относительно его геометрической оси врашения. Разделительный элемент - пластина - перемещается в-пазу корпуса, выполнен в виде пластины с роликом. Ролик прижимается к рабочей поверхности ротора за счет сил давления газа в пространстве над пластиной.

В роторе устанавливаются графитовые уплотняющие пластины для предотвращения прорыва газа из полости нагнетания в полость всасывания.

В предлагаемой роторной машине ротор, корпус, уплотняющий ролик выполняются из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ), армирующий каркас которого выполнен в еиде намотанных углеродных волокон, а монолитная матрица - из пироуглерода. За счет повышенной термостойкости УУКМ отпадает потребность в принудительной системе охлаждения, высокие антифрикционные свойства УУКМ позволяю отказаться от жидкостной смазки. Низкий коэффициент теплового расширения позволяет зазоры между движущимися трущимися частями сделать минимальными, что обеспечивает высокую герметичность. Низкий удельный вес углерод-углеродного композиционного материала позволяет уменьшить вес pomp- ной машины более чем в пять раз.

На фиг. J, 2 показана схема роторной машины (она может работать как одно- или двухступенчатый компрессор и как компрессорная или расширительная секция двк- гателя), включающая неподвижный корпус- цилиндр 1; цилиндрический ротор 2 с упяот- няющмми графитовыми пластинами 3, укрепленный на валу 4; пластина 5 с уплотняющим роликом 6; корпус пластины 7; крышки 8, 9. В торцевых крышках 9 выполнены впускные 10 и выпускные отверстия и перепускные каналы. Ротор 2 служит рабочим органом компрессора и одновременно выполняет функции устройства газораспределения.

Работа роторной машины в компрессорном режиме осуществляется следующим образом, При вращении ротора он торцевыми поверхностями перекрывает и открывает впускные 10 и выпускные 11 отверстия и каналы Цилиндрическая поверхность ротора контактирует с уплотняющим роликом пластины, сжимает и вытесняет рабочий газ При повороте по часовой стрелке

(фиг 1) открываются впускные отверстия 10 и порция рабочего газа заполняет полость между ротором, корпусом и пластиной. При втором обороте, после прохождения уплотняющими пластинами 3 ротора впускных отверстий, происходит сжатие и выпуск этой пориии рабочего газа в выпускное отверстие 11 и перепускной канал из полости нагнетания через невозвратный клапан в нагнетательный коллектор. В полости всасывчния в это время вновь происходит всасывание следующей порции рабочего газа. Для обеспечения силы давления на пластину для прижатия ее к цилиндрической поверхности ротора с целью обеспечения

уплотнения между всасывающей и нагнетательной полостью (полостью высокого давления), последняя сообщается посредством перепускного канала с полостью над пластиной Посредством выпускного отверстия

она сообщается с потребителем. Таким образом в пространстве над пластиной находится газ, который является упругим элементом и прижимает пластину с уплотняющим роликом к ротору.

Предлагаемая роторная машина может работать как двухступенчатый компрессор следующим образом При повороте ротора 2 его торцевой поверхностью открывается впускное отверстие 10. 3 счет разрежения,

образующегося в пространстве между ротором корпусом и пластиной 5 при вращении ротора, в полость всасывается порция рабочего газа.

При втором обороте в момент перекрывания торцевой поверхностью ротора впускного отверстие 10 начинается вытеснение поступившей порции рабочего газа в перепускной канал через выпускное отверстие 11. Перепускндй канал сообщает полость

нагнетания роторной секции с полостью над пластиной - второй ступенью сжатия. Второе (выходное) отверстие перепускного канала располагается не ниже уровня верхней кромки пластины в момент ее нахождения в

крайнем нижнем положении. Оптимальное

положение выходного отверстия перепуск ного канала по высоте зависит от требуемых

параметров сжатия газа. Таким образом,

при втором обороте ротора пластина 5 вначале перекрывает выходное отверстие перепускного канала 11 и затем открывает его, При закрытом выходном отверстии перепускного канала происходит сжатие газа в первой ступени (роторной), открытии

выходного отверстия газ за счет перепада

давления поступает в пространство над пластиной и при дальнейшем повороте сжимается в этом пространстве (вторая ступень компрессора). После сжатия во второй ступени газ поступает через выпускное отвер- стие к потребителю.

Для повышения эффективности работы данной конструкции роторной машины как двухступенчатого компрессора необходимо применять известные конструкторские ре- шения (аналогичные для других двух- и многоступенчатых поршневых компрессоров): применение в выпускном отверстии второй ступени и в выпускном отверстии первой ступени 11 клапанов, управляющих процес - сом перепуска газа; применение охлаждения сжатого газа после первой ступени (охлаждение перепускного канала либо применение охладителя вместо него).

Работа машины в режиме расширения происходит в следующем порядке. Через отверстия 10 поступает газ от выносной камеры сгорания, который совершает работу расширения до открытия выпускных отверстий. При следующем обороте порция отра- ботавшего газа выталкивается ротором в выпускные отверстия 11 Для создания четырехтактного двигателя необходим,ы две соединенные секции - компрессорная и расширительная.

Параметры процессов в роторной машине, время их начала и окончания могут быть выбраны соответствующим расположением, формой, размерами ротора, впускных и выпускных отверстий и каналов.

Изложенные особенности не встречаются в известных роторных машинах. Таким образом, заявленная конструкция соответствует критериям изобретения новизна по сравнению не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в области роторных машин, те сравнительный

анализ позволил выявить в предложенной конструкции признаки, отличающие заявленное решение от известных, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию существенные отличия.

Примером конкретного исполнения является роторно-пластинчатый компрессор из углерод-углеродистого композиционного материала, спроектированный и изготовленный в Научно-производственном центре при Николаевском кораблестроительном институте. Диаметр ротора 120 мм, диаметр корпуса 150 мм. Компрессор показал хорошую работоспособность и надежность.

Перспективной областью применения данной роторной мзшийы является двигате- лестроение автомобильной и тракторной промышленности, а также компрессорост- роение для различных областей техники.

Формула изобретения

1. Роторная машина, содер жащая корпус с патрубками подвода и отвода рабочего тела, ротор, эксцентрично установленный в корпусе и разделительный элемент, размещенный с возможностью контакта с ротором в пазу корпуса с образованием рабочих камер, отличающаяся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения КПД путем снижения трения и увеличения давления нагнетания, разделительный элемент выполнен в виде пластины с роликом, закрепленным на ее конце с возможностью контакта с ротором, а патрубок отвода рабочего тела сообщен с полостью паза над пластиной с образованием дополнительной ступени сжатия.

2. Машина поп. 1,отличающаяся тем, что она выполнена из углерод-углеродного композиционного материала, армирующий каркас которого выполнен в виде намотанных углеродных волокон, а матрица - из пироуглерода.

п

Использование1 в энергомашиностроении, тракторо- и автомобилестроении. Сущность изобретения: ротор эксцентрично установлен в корпусе с патрубками подвода и отвода рабочего тела. Разделительный элемент размещен с возможностью контакта с ротором в пазу корпуса с образованием рабочих камер. Разделительный элемент выполнен в виде пластины с роликом, закрепленным на ее конце, и контактирует с ротором. Патрубок отвода сообщен с полостью паза над пластиной с образованием дополнительной ступени сжатия. Машина выполнена из углерод-углероднбго композиционного материала, армирующий каркас к-рого выполнен в виде намотанных углеродных волокон, матрица - из пироуглеро- да. 1 з.п ф-лы, 2 ил.

Фиг.1

3

9

5