Ротационная машина

 

Использование: в качестве двигателей, насосов, вакуум-насосов и компрессоров холодильных машин, медицинской и бытовой техники. Сущность изобретения: в корпусе размещено статорное кольцо с профилированной внутренней поверхностью. В торцовых крышках выполнены каналы для подачи смазывающей жидкости. В кольце концентрично установлен на валу ротор с пазами, в которых размещены выпуклые со стороны корпуса разделительные пластины с возможностью возвратно-поступательного перемещения и образования под пластинами полостей поджима, в кольце - рабочих камер, и каналы подвода и отвода рабочей среды. На внутренних поверхностях крышек для каждой рабочей камеры выполнены кольцевые выемки, расположенные напротив полостей поджима. Ротор относительно крышек установлен с зазором. Величина зазора от поверхности вала до выемки не превышает величины зазора от выемки до периферийного участка торцовых крышек. Выемки на крышках выполнены дуговыми и ограничены радиальными плоскостями, проходящими соответственно через начало участка контакта кольца с ротором по направлению вращения ротора и участок, расположенный в диапазоне 90 150° от середины участка контакта ротора с кольцом. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к двигателе-, насосо- и компрессоростроению и может быть использовано в качестве двигателей, насосов, вакуум-насосов и компрессоров холодильных машин, медицинской и бытовой техники и др.

Известен ротационно-пластинчатый компрессор, содержащий корпус, размещенное в нем статорное кольцо с профилированной внутренней поверхностью и торцовыми крышками, ротор с пазами, в которых размещены разделительные пластины, и каналы подвода и отвода рабочей среды, при этом на внутренних поверхностях крышек для каждой рабочей камеры выполнены кольцевые выемки, расположенные напротив полостей поджима, а ротор относительно крышек установлен с зазором.

Известен ротационно-пластинчатый компрессор, содержащий корпус, размещенное в нем статорное кольцо с профилированной внутренней поверхностью и торцовыми крышками, ротор с пазами, в которых размещены разделительные пластины, каналы подвода и отвода рабочей среды, при этом на внутренних поверхностях крышек для каждой рабочей камеры выполнены кольцевые выемки, расположенные напротив полостей поджима, а ротор относительно крышек установлен с зазором.

Недостатками обоих известных компрессоров являются высокое энергопотребление и недостаточный ресурс работы. Эти недостатки обусловлены тем, что уплотнение между рабочими камерами осуществляется разделительными пластинами, скользящими по внутренней профилированной поверхности статорного кольца. Для уменьшения перетекания разделительные пластины должны быть хорошо прижаты к профилированной внутренней поверхности во всем диапазоне углов поворота ротора с недопустимостью их отрыва от поверхности.

Анализ центробежных, гидродинамических сил и сил трения, действующих на каждую перемещающуюся разделительную пластину, показывает, что сила отрыва разделительной пластины от профилированной внутренней поверхности статорного кольца переменна по углу поворота ротора: в области канала подвода рабочей среды, вследствие небольших давлений, действующих на разделительную пластину, сила отрыва минимальна, а больших величин сила отрыва достигает лишь в узком диапазоне углов поворота ротора 110-150^о от точки контакта ротора со статорным кольцом.

В обоих известных технических решениях благодаря выполнению в торцовых крышках кольцевых выемок в полости под разделительной пластиной при ее прохождении над кольцевой выемкой давление в этой полости падает практически до давления в кольцевой выемке из-за много большей величины объема кольцевой выемки по сравнению с объемом полости под разделительной пластиной и, следовательно, сила прижима разделительной пластины будет не велика.

Однако, смазывающая жидкость, поступающая в кольцевые выемки по довольно большим зазорам между ротором и крышками на участке от поверхности вала до выемки, создает жидкостную среду в кольцевых выемках вследствие того, что по существующим малым зазорам между ротором и крышками на их периферийной части жидкость из-за своих инерционных свойств не может вытечь из кольцевой выемки и полости поджима, что приводит к созданию избыточного жидкостного давления по отношению к требуемому в полостях под разделительными пластинами и большим усилиям прижима, действующим на разделительные пластины и приводящим к большим потерям на трение и большому износу.

Кроме того, угловая протяженность кольцевых выемок, фиксированная одним значением для различных режимов работы по давлению нагнетания и ограниченная радиальными плоскостями, проходящими соответственно через точку наименьшего диаметра внутренней поверхности статорного кольца и точку входа в канал отвода, позволяет работать компрессору, создавая усилия, действующие на разделительные пластины, близкие к оптимальным, лишь на одном режиме работы по давлению нагнетания, что снижает его энергетические характеристики и увеличивает износ на других режимах работы.

Цель изобретения - повышение КПД машины путем уменьшения потерь на трение разделительных пластин по профилированной внутренней поверхности статорного кольца и ротора о торцовые крышки, а также улучшения уплотнения между ротором и торцовыми крышками и повышение ресурса работы машины путем снижения износа разделительных пластин и профилированной внутренней поверхности статорного кольца и ротора о торцовые крышки.

Указанная цель достигается за счет того, что в ротационной машине, содержащей корпус, размещенное в нем статорное кольцо с профилированной внутренней поверхностью и торцовыми крышками, в которых выполнены каналы для подачи смазывающей жидкости, концентрично установленный в статорном кольце на валу ротор с пазами, в которых размещены выпуклые со стороны корпуса разделительные пластины с возможностью возвратно-поступательного перемещения и образования под пластинами полостей поджима, а в кольце - рабочих камер, и каналы подвода и отвода рабочей среды, при этом на внутренних поверхностях крышек для каждой рабочей камеры выполнены кольцевые выемки, расположенные напротив полостей поджима, а ротор относительно крышек установлен с зазором, величина зазора от поверхности вала до выемки не превышает величины зазора от выемки до периферийного участка торцовых крышек, выемки на крышках выполнены дуговыми и ограничены радиальными плоскостями,проходящими соответственно через начало участка контакта кольца с ротором по направлению вращения последнего и участок, расположенный в диапазоне 90-150^о от середины участка контакта ротора с кольцом.

На торцовых поверхностях ротора с образованием периферийного пояска выполнены кольцевые проточки, внутренний диаметр которых превышает наружный диаметр выемок.

На фиг.1 изображен продольный разрез ротационной машины; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 и 4 - торцовая крышка; на фиг.5 - продольный разрез ротационной машины в варианте выполнения кольцевой проточки на роторе; на фиг.6 - график изменения усилий отрыва, действующих на разделительную пластину; на фиг.7 - график изменения усилий отрыва и прижима, действующих на разделительную пластину.

Ротационная машина содержит корпус 1, размещенное в нем статорное кольцо 2 с профилированной внутренней поверхностью 3, выполненной, например, в виде эллипса, овала или в виде четырех соединенных и попарно равных между собой дуг окружностей со смещенными центрами дуг вдоль большой оси симметрии и др., и торцовыми крышками 4 и 5, в которых выполнены каналы 6 и 7 для подачи смазывающей жидкости, концентрично установленный в статорном кольце 2 на валу 8 ротор 9 с пазами 10, в которых размещены выпуклые со стороны корпуса 1 разделительные пластины 11 с возможностью возвратно-поступательного перемещения и образования под ними полостей 12 поджима, а в статорном кольце 2 - рабочих камер 13, и каналы 14 и 15 подвода и отвода рабочей среды.

На внутренних поверхностях крышек 4 и 5 для каждой рабочей камеры 13 выполнены дуговые выемки 16, расположенные напротив полостей 12 поджима и ограниченные радиальными плоскостями, проходящими соответственно через начало участка контакта статорного кольца 2 с ротором 9 по направлению вращения ротора 9, и участок, расположенный в диапазоне 90-150^о от середины участка контакта ротора 9 со статорным кольцом 2.

Верхняя граница окончания выемки, выбираемая как любая величина из диапазона углов 90-150^о и определяемая для каждого режима работы компрессора по давлению нагнетания, имеет конкретное значение, равное величине угла ϕ_п перехода, соответствующего максимальному значению усилий отрыва разделительной пластины 11 на данном режиме работы компрессора. Усилие отрыва определяется по графику усилий отрыва, действующих на разделительную пластину 11, в зависимости от угла ϕ поворота ротора 9 для заданного режима работы компрессора по давлению нагнетания и представлено на фиг.6.

Ротор 9 относительно торцовых крышек 4 и 5 установлен с зазором, причем величина зазора от поверхности вала 8 до нижнего диаметра дуговой выемки 16 не превышает величины зазора от верхнего диаметра выемки 16 до периферийного участка (наружного диаметра) торцовых крышек 4 и 5.

На торцовых поверхностях ротора 9 могут быть выполнены с образованием периферийного пояска 17 кольцевые проточки 18, внутренний диаметр которых превышает наружный диаметр дуговых выемок 16.

Ротационная машина в качестве компрессора работает следующим образом.

При вращении ротора 9 разделительные пластины 11 скользят по профилированной внутренней поверхности 3 статорного кольца 2, при этом изменяются объемы рабочих камер 13 и происходит процесс сжатия и перемещения рабочей среды от канала 14 подвода к каналам 15 отвода рабочей среды.

При движении разделительной пластины 11 по участку контакта статорного кольца 2 с ротором 9 среда, находящаяся в полости 12 поджима, перетекает в дуговую выемку 16 и давление и соответственно сила прижима разделительной пластины 11 к профилированной внутренней поверхности 3 уменьшаются и незначительно превышают силу отрыва, действующую на разделительную пластину 11. Сила отрыва мала, так как рабочая среда на этом участке из-за малости зазора между статорным кольцом 2 и ротором 9 практически отсутствует.

При движении разделительной пластины 11 по расширяющейся части профилированной внутренней поверхности 3 над дуговой выемкой 16 объем полости 12 поджима немного увеличивается вследствие выдвижения разделительной пластины 11 из паза 10 и, следовательно, давление в полости 12 поджима и дуговой выемке 16 не увеличивается, а усилие отрыва разделительной пластины 11 на расширяющейся части профилированной внутренней поверхности 3 также невелико и немного меньше усилия прижима.

При движении разделительной пластины 11 по сужающейся части профилированной внутренней поверхности 3 над дуговой выемкой 16 усилие отрыва возрастает вследствие роста давления в рабочей камере 13 нагнетания и усилие прижима также возрастает вследствие уменьшения объема полости 12 поджима при вдвижении разделительной пластины 11 в паз 10 и соответственно роста давления в полости 12 поджима. Усилие прижима немного превышает усилие отрыва.

При движении разделительной пластины 11 по сужающейся части профилированной внутренней поверхности 3 на участке за окончанием дуговой выемки 16 до угла ϕ_п усилие прижима возрастает вследствие отсоединения полости 12 поджима от дуговой выемки 16 и уменьшения объема, и имеет несколько большую величину чем возрастающее усилие отрыва (см.фиг.7).

На участке за углом ϕ_п усилие отрыва, действующее на разделительную пластину 11, уменьшается вследствие уменьшения площади поверхности разделительной пластины, на которую действует давление и постоянного давления в рабочей камере нагнетания, рост же давления в полости 12 поджима и силы прижима увеличивается вследствие уменьшения объема полости 12 поджима при вдвижении разделительной пластины в паз 10.

Величина превышения силы прижима, действующей на разделительную пластину 11, над силой отрыва подбирается объемом дуговые выемки 16 и полости 12 поджима.

Для варианта выполнения на роторе 9 кольцевых проточек 18 смазывающая жидкость поступает в оба зазора между ротором 9 и торцовыми крышками 4 и 5, проходит через дуговые выемки 16 и кольцевые проточки 18, обеспечивая самоустановку ротора 9 между торцовыми крышками 4 и 5 и создавая лабиринтное уплотнение, снижает утечки рабочей среды. Выполнение кольцевых проточек 18 и дуговых выемок 16 обеспечивает уменьшение трения торцовых поверхностей ротора 9 и торцовых крышек 4 и 5 за счет увеличения зазора на части торцовых поверхностей между ротором 9 и торцовыми крышками 4 и 5, обеспечивающими уменьшение трения слоев среды друг о друга.

Для компрессора с давлением нагнетания 9,81 МПа (10 кгс/см² с четырьмя разделительными пластинами и двумя рабочими камерами выполнены две дуговые выемки, ограниченные радиальными плоскостями, проходящими соответственно через начало участка контакта статорного кольца с ротором, и угол 100^о, отсчитанный от середины участка контакта ротора со статорным кольцом. Угол в 100^о выбирается из диапазона углов между углом 90^о (большой осью симметрии статорного кольца) и углом 130^о, соответствующему максимальному значению усилий отрыва разделительной пластины для компрессора с давлением нагнетания 9,81 МПа (10 кгс/см²) и определяемому по графику на фиг.6.

Формула изобретения

1. РОТАЦИОННАЯ МАШИНА, содержащая корпус, размещенное в нем статорное кольцо с профилированной внутренней поверхностью и торцевыми крышками, в которых выполнены каналы для подачи смазывающей жидкости, концентрично установленный в статорном кольце на валу ротор с пазами, в которых размещены выпуклые со стороны корпуса разделительные пластины с возможностью возвратно-поступательного перемещения и образования под пластинами полостей поджима, а в кольце - рабочих камер, и каналы подвода и отвода рабочей среды, при этом на внутренних поверхностях крышек для каждой рабочей камеры выполнены кольцевые выемки, расположенные напротив полостей поджима, а ротор относительно крышек установлен с зазором, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД и ресурса работы, величина зазора от поверхности вала до выемки не превышает величины зазора от выемки до периферийного участка торцевых крышек, выемки на крышках выполнены дуговыми и ограничены радиальными плоскостями, проходящими соответственно через начало участка контакта кольца с ротором по направлению вращения последнего, и участок, расположенный в диапазоне 90 - 150^o от середины участка контакта ротора с кольцом.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что на торцевых поверхностях ротора с образованием периферийного пояска выполнены кольцевые проточки, внутренний диаметр которых превышает наружный диаметр выемок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7