Роторный насос-компрессор с регулируемой производительностью

 

Использование: в роторных машинах с регулированием потока рабочей среды без останова рабочих органов. Сущность изобретения: насос-компрессор содержит ротор, выполненный в виде равнобедренного треугольника с усеченными вершинами, соосно установленный в статоре с профилированными пазами и торцевыми крышками, подпружиненные лопасти, размещенные в пазах статора, и распределитель рабочей среды, сообщенный с каналом всасывания. В торцевой крышке выполнены всасывающие и перепускные отверстия. Последние расположены под лопастями и сообщены с распределителем посредством трубопроводов. Количество лопастей кратно двум. Регулирование производительности осуществляется распределителем, открывающим и закрывающим отверстия, сообщенные посредством трубопроводов с перепускными и всасывающими отверстиями. 3 ил.

Изобретение относится к насосокомпрессоростроению, но может быть использовано и в автомобилетракторостроении.

Известно много конструкций насосов и компрессоров со своими положительными и отрицательными сторонами.

Для относительно небольших расходов маловязкой перекачиваемой среды, при значительных давлениях наиболее подходящими являются поршневые насосы. Они просты в изготовлении, неприхотливы в эксплуатации, а характеристика их такова, что при незначительных расходах перекачиваемой среды они могут развивать любое давление. Но эти насосы имеют низкий КПД (ввиду наличия холостого хода), большую металлоемкость и большие габариты.

Все типы насосов в чистом виде, как правило, не обладают способностью регулировать количество перекачиваемой среды.

В технике известно несколько типов насосов обладающих способностью менять свою производительность, но все эти типы разработаны на базе нерегулируемых путем их доработки, а следовательно усложнения, утяжеления и ухудшения их эксплуатационных показателей. Из указанных насосов-компрессоров наиболее распространенными являются, радиально-поршневые насосы для гидрообъемных передач, содержащие статор, цилиндровый блок-ротор, поршни-плунжеры, статорное кольцо и обойму. Роль распределительного устройства в этих насосах выполняет пустотелая ось с уплотнительной перегородкой на которой перемещается вращающийся блок-ротор. Эти насосы имеют регулируемую производительность за счет изменения эксцентриситета установки статорного кольца относительно блок-цилиндра. КПД этих машин 77-85%. Номинальная частота вращения 960 об/мин. Однако эти машины сложны в изготовлении, имеют большую металлоемкость, тихоходны и имеют малый машино-ресурс. Они сложны и капризны в работе.

Такие же недостатки имеют и роторно-поршневые аксиальные насосы с наклонным диском содержащие: блок-цилиндров, наклонный упорный диск, связанный с рабочим валом, поршни с шатунами и распределительный диск. Их КПД 84-90%, частота вращения 1500 об./мин.

Наиболее близким по конструктивному выполнению к предлагаемой заявкой конструкции является насос-компрессор, в котором предусмотрен роторный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из двух ступеней рабочей и компрессионной. Компрессионная ступень состоит из статора, ротора с выступами имеющих форму трапеций и лопаток, утепленных в теле статора, имеющих такую длину и форму, что обеспечивается угол встречи поверхности ротора и прямой между точкой контакта и осью качания лопаток не менее 120^о, а в прижатом к статору положении являются продолжением рабочей поверхности статора. Эта конструкция имеет свои положительные стороны (малая металлоемкость, быстроходность, способность развивать значительные давления и т.д.), но имеет и существенные недостатки, в числе которых: а) указанная конструкция не может быть приспособлена к работе с переменным расходом перекачиваемой среды, т.к. торцевая крышка компрессионной ступени занята всасывающим патрубком, имеющим большие размеры вследствие того, что всасывание производится через полый ротор; б) в момент прижатия лопаток к телу статора, выступами ротора не производится никакой работы, т. е. ротор вращается вхолостую. Таким образом площадь сектора образуемого дугами длиной лопаток и вершин выступов ротора при радиусе равном радиусу статора является нерабочей или "мертвой" зоной. Размеры этих зон относительно всей площади ротора значительны. А само наличие таких "мертвых" зон снижает КПД, следовательно КПД этой конструкции невелико; в) наличие двух лопаток и двух выступов у ротора приводит к тому, что за один оборот ротора производится один цикл, т.е. циклы двух выступов ротора производятся одновременно и сливаются в один, а это приводит к тому, что для выравнивания пульсации требуются буферные емкости.

Близким, к предлагаемой заявкой конструкции, является по регулированию производительности, конструкция по авторскому свидетельству N 102946.

Целью изобретения является создание конструкции такого насоса-компрессора который бы имел достаточно высокий КПД, малые габариты, малую металлоемкость, был прост, надежен в эксплуатации, мог развивать частоту вращения равную частоте вращения двигателя внутреннего сгорания и был регулируемым.

Поставленная цель достигается тем, что насос-компрессор, по заявке, выполнен в виде круговой поршневой машины, состоящей из корпуса-статора, двух торцевых крышек, треугольного с усеченными вершинами ротора установленного внутри статора, двух утопленных в теле статора лопаток, каждая из которых одним концом шарнирно крепится к статору, а вторым концом пружиной прижимается к ротору. При этом угол встречи поверхности ротора и прямой, проходящей через точку контакта ротора с лопатками и осью их качания составляет не менее 120^о.

Всасывание перекачиваемой среды производится через отверстия в торцевой крышке, в этой же крышке имеются перепускные отверстия, соединяющиеся трубопроводами с золотниковым распределителем получающим управление от рычага или педали. Через эти перепускные отверстия часть всасанной насосом-компрессором рабочей среды по трубопроводам через распределитель сбрасывается обратно во всасывающий трубопровод, при этом, чем больше рабочей среды нужно сбросить через перепускные окна - тем больше отверстий в распределителе соединенных с отверстиями в насосе-компрессоре открывается и соединяется с всасывающими трубопроводами насоса-компрессора. Таким образом посредством открытия или закрытия отверстий в распределителе регулируется производительность насоса-компрессора.

Устройство насоса-компрессора роторного с высоким КПД, легкого, малогабаритного, регулируемой производительностью, простого в изготовлении и, следовательно, надежного в эксплуатации перспективно и актуально.

Основными существенными отличиями от аналогов и прототипа являются: Насос-компрессор является круговой поршневой машиной (обладающего такой же характеристикой работы) состоящей из статора, ротора, имеющего в сечении форму разнобедренного треугольника с усеченными вершинами, нескольких лопаток утопленных в тело статора, подпружиненных, имеющих такую длину, кривизну и так установленных, что обеспечивается постоянный контакт рабочего конца лопатки с поверхностью ротора (исключаются мертвые зоны в работе насоса-компрессора).

Обеспечивается плавная регулировка производительности насоса-компрессора без его остановки, посредством перепуска лишнего количества рабочей среды через перепускные окна в распределитель и далее во всасывающий трубопровод насоса-компрессора, т.е. обратно.

На фиг.1 и 2 изображены поперечный и продольный разрезы насоса-компрессора; на фиг.3 - схема обвязки насоса-компрессора.

Насос-компрессор состоит из статора состоящего из корпуса 1 и двух неподвижно прикрепленных к нему торцевых крышек 2, ротора имеющего в сечении форму равнобедренного треугольника с усеченными вершинами 3, двух или более лопаток 4, утопленных в теле статора, имеющих такую длину и такую кривизну, а также установленных на таком расстоянии от центра ротора, что обеспечивается угол атаки поверхности ротора на прямую между точкой контакта лопатки с ротором и точкой качания лопатки не менее 120^о и обеспечивается постоянный контакт рабочего конца лопатки с поверхностью ротора, обратный клапан 5, распределитель представляющий собой плунжерную пару (или пару цилиндр-поршень со сложным по всей длине уплотнением) 6 и систему трубопроводов соединяющих перепускные отверстия "б" с отверстиями в цилиндре распределителя 7, трубопроводы всасывающие "а" и нагнетательные "в" 8, подшипники для установки ротора в торцевых крышках статора 9.

Кроме того насос-компрессор имеет следующие отверстия: "а" всасывающие отверстия, в количестве соответствующем числу лопаток; "б" перепускные отверстия, в количестве необходимых ступеней регулирования, при необходимости плавного регулирования их число может быть неограничено.

"в" нагнетательные отверстия, в количестве соответствующем числу лопаток.

Насос-компрессор работает следующим образом.

На вал привода подается крутящий момент от двигателя ротору. Вращаясь против часовой стрелки, как показано на чертеже, ротор своими выступами набегает на лопатки 4 поочередно сначала одним выступом на одну лопатку, а затем другим на вторую лопатку. Между выступами и лопатками, а также частями статора образуется полость, которая заполняется перекачиваемой средой, которая через всасывающее отверстие "а" за счет образования в этой полости вакуума. Всасывание заканчивается в момент когда следующая по ходу лопатка 4 не поднимается в свое крайнее положение и лопатка не встанет на вершину выступа ротора, а второй ротор не пройдет всасывающее отверстие "а" и не перекроет его своим телом. После цикла всасывания начинается цикл сжатия, который выполняется уже следующим выступом. Перекачиваемая среда сжимаясь выталкивается через отверстие "в"в систему трубопроводов. Выступ ротора выполняющий цикл всасывания пройдя лопатку начинает в другой части статора другой своей стороной цикл сжатия. Таким образом каждый выступ ротора выполняет одновременно с одной стороны цикл всасывания, а с другой - цикл сжатия перекачиваемой среды.

Насос-компрессор имеет треугольный ротор 3 и две лопатки 4 совершает за один оборот 6 циклов всасывания и 6 циклов сжатия. При другом числе лопаток или выступов будет другое число циклов.

При необходимости уменьшенного количества перекачиваемой среды - шток распределителя 6 поднимается на нужную величину и открывает одно или несколько отверстий в цилиндре распределителя, которые трубопроводами 7 соединены с перепускными отверстиями в торцевой крышке насоса-компрессора. Ротор 3 вращаясь в цикле сжатия выталкивает часть прокачиваемой среды через открытые перепускные отверстия "в" в трубопровод 8 на всас насоса-компрессора.

Цикл сжатия в этом случае начинается после того как тело ротора 3 перекроет эти отверстия, т.е. объем сжатия будет уже менее номинального на заданную величину. При этом следует отметить, что при наличии распределителя изменение производительности возможно как при неработающем, так и при работающем насосе-компрессоре, что особенно актуально.

Возможна работа насоса-компрессора и при отсутствии распределителя 6. В этом случае производительность настраивается при неработающем насосе-компрессоре, для чего трубопроводы 7 соединяются с трубопроводом 8, причем трубопроводы 7 соединяемые с трубопроводом 8 должны быть определены заранее, т.к. после этого насос-компрессор становится нерегулируемым.

Формула изобретения

РОТОРНЫЙ НАСОС-КОМПРЕССОР С РЕГУЛИРУЕМОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ, содержащий статор с профилированными пазами и торцевыми крышками, ротор с выступами, соосно размещенный в статоре, подпружиненные лопасти, шарнирно закрепленные в пазах статора с возможностью постоянного контакта с поверхностью ротора под углом 120^o, и каналы всасывания и нагнетания, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД путем исключения мертвых зон, он снабжен распределителем рабочей среды, сообщенным с каналом всасывания, ротор выполнен в виде равнобедренного треугольника с усеченными вершинами, в торцевой крышке выполнены всасывающие и перепускные отверстия, при этом перепускные отверстия расположены под лопастями и сообщены с распределителем посредством трубопроводов, а количество лопастей кратно двум.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3