Ротационный насос

 

Использование: в качестве вакуум-насосов и компрессоров. Сущность изобретения: в корпусе размещено статорное колесо с профилированной внутренней поверхностью и торцевыми крышками. В статорном колесе на валу концентрично установлен ротор с пазами. В пазах с возможностью возвратно-поступательного перемещения и образования в кольце рабочих камер размещены разделительные пластины. Профиль внутренней поверхности кольца образован двумя дугами радиусом, опирающимся на центральный угол с вершиной в центре ротора и расположенным в диапазоне, рассчитываемом в заданном соотношении, и двумя соединенными с ними профилированными дугами. Каждая из этих дуг в точках пересечения с первыми дугами имеет совпадающие нормали. В точке пересечения с большой осью симметрии кольца направление нормали к профилированной дуге совпадает с направлением большой оси симметрии внутренней поверхности кольца. На участках от точек пересечения с дугами до точки пересечения с большой осью симметрии радиус дуги монотонно возрастает на величину наибольшего вылета разделительной пластины из паза ротора. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к насосостроению и может быть использовано в качестве вакуум-насосов и компрессоров в медицинской и бытовой технике и для холодильных установок.

Известен ротационно-пластинчатый компрессор, содержащий корпус, статорное кольцо с профилированной внутренней поверхностью, ротор с пазами и размещенными на них разделительными пластинами (патент США N 4515514, кл. P 03 C 2/00, 1985).

Недостатком известного компрессора являются высокие потери на утечки рабочей среды из-за малой протяженности уплотняющего зазора между каналами отвода и подвода рабочей среды.

Известен ротационно-пластинчатый компрессор, содержащий корпус, установленные в нем статорное кольцо с профилированной эллиптической или овальной внутренней поверхностью и торцевыми крышками, установленный в статорном кольце концентрично на валу ротор с пазами и размещенные в них разделительные пластины, каналы подвода и отвода рабочей среды (прототип) [1] Недостатком известного компрессора являются высокие потери на утечки рабочей среды из-за малой протяженности уплотняющего зазора между каналами отвода и подвода рабочей среды (малая протяженность уплотняющего зазора между наружной поверхностью ротора и внутренней профилированной поверхностью статорного кольца в зоне наименьшего размера эллипса).

В основу изобретения положена задача создания ротационного насоса, в котором за счет образования профиля внутренней поверхности статорного кольца двумя дугами радиусом R и двумя профилированными дугами обеспечивается возможность образования в течение длительного времени эксплуатации, протяженного зазора, постоянного по величине между статорным кольцом и ротором, снижающего утечки рабочей среды между каналами отвода и подвода рабочей среды.

Эта задача решается тем, что в ротационном насосе, содержащем корпус, размещенное в нем статорное кольцо с профилированной внутренней поверхностью и торцевыми крышками, концентрично установленный в статорном кольце на валу ротор с пазами, в которых с возможностью возвратно -поступательного перемещения и образования в кольце рабочих камер размещены разделительные пластины, и каналы подвода и отвода рабочей среды, согласно изобретению профиль внутренней поверхности кольца образован двумя дугами радиусом R, опирающимися на центральный угол 2α_o с вершиной в центре ротора и расположенный в диапазоне и двумя соединенными с ними профилированными дугами, каждая из которых в точках пересечения с дугами радиусом R имеет совпадающие нормали, в точке пересечения с большой осью симметрии кольца направление нормали к профилированной дуге совпадает с направлением большой оси симметрии внутренней поверхности кольца, а на участках от точек пересечения с дугами радиусом R до точки пересечения с большой осью симметрии радиус дуги монотонно возрастает от R до R+H, где H величина наибольшего вылета разделительной пластины из паза ротора.

Выполнение части профиля внутренней поверхности статорного кольца двумя дугами радиусом R, опирающимися на центральный угол 2α_o с вершиной в центре ротора, позволяет образовать зазор определенной длины между профилированной внутренней поверхностью статорного кольца и ротором, обеспечивающий малые утечки между каналами отвода и подвода рабочей среды при сохранении эффективности насоса на мировом уровне по коэффициенту удельной мощности, равному отношению потребной мощности к производительности.

Выбор величины центрального угла 2α_o, расположенной в диапазоне , обусловлен обеспечением коэффициента удельной мощности, равного отношению потребляемой мощности к производительности, на уровне, соответствующем прототипуа, и мировому уровню, в диапазоне средних производительностей насоса от 1,83·10^-4 м³/с (11 л/мин) до 4,66·10^-4 м³/с (28 л/мин) и для соответствующих значений коэффициента удельной мощности от 610 Вт·c/м³ до 850 Вт·c/м³, характерных для рассматриваемого класса ротационных насосов.

Выполнение каждой профилированной дуги в точках пересечения с дугой радиусом R с совпадающими нормалями обеспечивает плавный переход дуги радиусом R в профилированную дугу.

Выполнение каждой профилированной дуги таким образом, что в точке ее пересечения с большой осью симметрии профилированной внутренней поверхности статорного кольца нормаль к профилированной дуге совпадает с направлением большой оси симметрии, обеспечивает плавный переход профилированной дуги через большую ось симметрии.

Выполнение каждой профилированной дуги на участках от точек пересечения с дугой радиусом R до точки пересечения с большой осью симметрии с радиусом профилированной дуги, монотонно возрастающим от R до R+H, где H величина наибольшего вылета разделительной пластины из паза ротора, обеспечивает непрерывное плавное увеличение радиуса профилированной дуги.

Целесообразно каждую профилированную дугу выполнить удовлетворяющей следующему уравнению где ρ(ϕ) текущий радиус профилированной дуги, м; ϕ угол наклона текущего радиуса r(ϕ) профилированной дуги относительно малой оси симметрии внутренней поверхности статорного кольца, рад; a₀ величина, выбираемая из диапазона м; минимальное значение величины a₀, при котором с точностью, соответствующей точности изготовления профилированной дуги, описываемой указанным уравнением, выполнены условия монотонного возрастания текущего радиуса ρ(ϕ) профилированной дуги от R до R+H в диапазоне угла ϕ от a_o до π/2; максимальное значение величины a_o, при котором с точностью, соответствующей точности изготовления профилированной дуги, описываемой указанным уравнением, выполнены условия монотонного возрастания радиуса ρ(ϕ) профилированной дуги от R до R+H в диапазоне угла ϕ от a_o до π/2; a₂ постоянная величина, определяемая из выражения

a₁ постоянная величина, определяемая из выражения

C₀ постоянная величина, определяемая из выражения

C₁ постоянная величина, определяемая из выражения
C₁=a₁+π·a₂;
R радиус двух дуг, образующих часть профиля внутренней поверхности статорного кольца, м;
h₀ расстояние от центра ротора до точки наибольшего вылета разделительной пластины из паза ротора, определяемое из выражения h₀=R+H,m;
H величина наибольшего вылета разделительной пластины из паза ротора, м;
α_o центральный угол с вершиной в центре ротора, на который опирается половина каждой из дуг радиуса R, рад.

Это позволяет создать внутреннюю поверхность статорного кольца, которая может быть выполнена на станках с ЧПУ и обеспечивать плавный переход дуги радиусом R в профилированную дугу, непрерывное плавное увеличение радиуса профилированной дуги и плавный переход профилированной дуги в точках пересечения профилированной дуги с большой осью симметрии.

На фиг. 1 изображен продольный разрез компрессора; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 схема построения профилированной внутренней поверхности статорного кольца; на фиг. 4 график коэффициента удельной мощности.

Ротационный насос содержит корпус 1, размещенное в нем статорное кольцо 2, концентрично установленный в нем на валу 3 ротор 4 с пазами 5, в которых с возможностью возвратно-поступательного перемещения и образования в статорном кольце 2 рабочих камер 6 размещены разделительные пластины 7, торцевые крышки 8 и 9, каналы 10 и 11 подвода и отвода рабочей среды.

Профиль внутренней поверхности статорного кольца 2 образован двумя дугами 12 и 13 радиусом R, опирающимися на центральный угол 2α_o с вершиной в центре ротора 4 и расположенный в диапазоне , и двумя соединенными с ними профилированными дугами 14 и 15. Каждая из профилированных дуг 14 и 15 в точках пересечения с дугой 12 или 13 радиусом R имеет совпадение нормали 16. В точке пересечения каждой из профилированных дуг 14 и 15 с большой осью 17 симметрии статорного кольца 2 направление нормали к каждой профилированной дуге 14 и 15 совпадает с направлением большой оси 17 симметрии статорного кольца 2.

На участках от точек пересечения каждой из профилированных дуг 14 и 15 с дугой 12 или 13 радиусом R до точки пересечения с большой осью 17 симметрии статорного кольца 2 радиус каждой из профилированных дуг 14 и 15 монотонно возрастает от R до R+H, где H величина наибольшего вылета разделительной пластины 7 из паза 5 ротора 4.

Закон монотонного возрастания радиуса каждой из профилированных дуг 14 и 15 от R до R+H может быть любой.

Каждая профилированная дуга 14 или 15 может быть описана уравнением

где
ρ(ϕ) текущий радиус профилированной дуги, м;
ϕ угол наклона текущего радиуса r(ϕ) профилированной дуги относительно малой оси симметрии внутренней поверхности статорного кольца 2, рад;
a₀ величина, выбираемая из диапазона

минимальное значение величины a₀, при котором с точностью, соответствующей точности изготовления профилированной дуги 14 или 15, описываемой указанным уравнением, выполнены условия монотонного возрастания текущего радиуса ρ(ϕ) профилированной дуги от R до R+H в диапазоне угла ϕ от a_o до π/2;
максимальное значение величины a₀, при котором с точностью, соответствующей точности изготовления профилированной дуги 14 или 15, описываемой указанным уравнением, выполнены условия монотонного возрастания текущего радиуса ρ(ϕ) профилированной дуги от R до R+H в диапазоне угла ϕ от a_o до π/2;
a₀ постоянная величина, определяемая из выражений

a₁ постоянная величина, определяемая из выражения

C_o постоянная величина, определяемая из выражения

C₁ постоянная величина, определяемая из выражения
C₁=a₁+π·a₂ (7);
R радиус двух дуг, образующих часть профиля внутренней поверхности статорного кольца 2, м;
h₀ расстояние от центра ротора 4 до точки наибольшего вылета разделительной пластины 7 из паза 5 ротора 4, определяемой из выражения h₀=R+H, м;
H величина наибольшего вылета разделительной пластины 7 из паза 5 ротора 4, м;
α_o центральный угол с вершиной в центре ротора 4, на которой опирается половина каждой из дуг 12 и 13 радиуса R, рад.

Величина a₀ может быть выбрана из диапазона
-0.172<a<0,366. (8)
Этот диапазон определен для ряда массовых установок с радиусами роторов от 0,01 до 0,05 м и наибольшими вылетами разделительных пластин от 0,0012 до 0,01 м.

Диапазон возможных значений величины a₀, т.е. максимальное и минимальное значения, могут быть определены различными методами, например методом последовательных приближений.

Ротационный насос в качестве компрессора работает следующим образом.

При вращении ротора 4 разделительные пластины 7, размещенные в пазах 5 ротора 4, под действием центробежных сил и сил давления в полостях под разделительными пластинами 7, выдвигаются из пазов 5, прижимаются к внутренней поверхности статорного кольца 2 и скользят по дугам 12 и 13 и профилированным дугам 14 и 15. При этом изменяются объемы рабочих камер 6 и происходит процесс сжатия и перемещения рабочей среды от каналов 10 подвода к каналам 11 отвода.

Выполнение вышеуказанного профиля внутренней поверхности статорного кольца 2 обеспечивает плавное движение разделительных пластин 7 по внутренней поверхности статорного кольца 2.

Радиус R дуг 12 и 13 окружности, описанных из центра ротора 4, выбирают исходя из радиуса ротора 4 и зазора между ротором и внутренней поверхностью статорного кольца 2, обеспечивающего изготовление статорного кольца по 6-7 квалитету точности.

Величину наибольшего вылета H разделительной пластины 7 из паза 5 ротора 4 выбирают исходя из потребной производительности ротационного насоса. Для средних производительностей рассматриваемого класса ротационных насосов от 1,83·10^-4 м³/c (11л/мин) до 4,66·10^-4 м³/с (28 л/мин), характерных для вакуум-насосов и компрессоров в медицинской, бытовой технике и для холодильных установок, величина наибольшего вылета H разделительных пластин составляет от 0,0012 до 0,01 м.

Обоснование и выбор значений величин центрального угла 2α_o определены по уравнению (1).

Для ротационного насоса со средней производительностью Q_т=2,17·10^-4 м³/с (13 л/мин) радиус R дуг, образующих профилированную внутреннюю поверхность статорного кольца, составляет R=0,02 м.

Выбираем из соотношения (1) центральный угол, равный

Величина наибольшего вылета разделительной пластины из паза ротора H 0,003 м.

Величину a₀ выбираем из заявленного диапазона по уравнению (8) a₀ -0,012 м.

Расстояние от центра ротора до точки наибольшего вылета разделительной пластины из паза ротора
h_o=R+H=0,02+0,003=0,023 м.

Значение величин a₂, a₁, C_o и C₁ определяем соответственно по уравнениям (4), (5), (6) и (7)
a₂=0,0357; a₁= -0,0779; C₀ 0,0703; C₁ 0,0239.

Значение текущего радиуса ρ(ϕ) профилированной дуги в зависимости от угла ϕ наклона текущего радиуса r(ϕ) определяются по уравнению (1) и представлены в таблице.

Опытные образцы ротационного насоса прошли экспериментальную проверку.

КПД (объемный) для заявляемого ротационного насоса (компрессора) составляет 0,64-0,72 в течение длительного времени работы.

Для сравнения КПД (объемный) для лучших существующих компрессоров составляет ≈0,61.

Формула изобретения

1. Ротационный насос, содержащий корпус, размещенное в нем статорное кольцо с профилированной внутренней поверхностью и торцевыми крышками, концентрично установленный в статорном кольце на валу ротор с пазами, в которых с возможностью возвратно-поступательного перемещения и образования в кольце рабочих камер размещены разделительные пластины, и каналы подвода и отвода рабочей среды, отличающийся тем, что профиль внутренней поверхности кольца образован двумя дугами радиусом R, опирающимися на центральный угол 2α_o с вершиной в центре ротора и расположенный в диапазоне и двумя соединенными с ними профилированными дугами, каждая из которых в точках пересечения с дугами радиусов R имеет совпадающие нормали, в точке пересечения с большой осью симметрии кольца направление нормали к профилированной дуге совпадает с направлением большой оси симметрии внутренней поверхности кольца, а на участках от точек пересечения с дугами радиусом R до точки пересечения с большой осью симметрии радиус дуги монотонно возрастает от R до R + H, где H - величина наибольшего вылета разделительной пластины из паза ротора.

2. Насос по п.1, отличающийся тем, что каждая профилированная дуга описана следующим уравнением:

где ρ(ϕ) текущий радиус профилированной дуги, м;
ϕ - угол наклона текущего радиуса ρ(ϕ) профилированной дуги относительно малой оси симметрии внутренней поверхности кольца, рад;
а_o величина, выбираемая из диапазона м;
минимальное значение величины а_o, при котором с точностью, соответствующей точности изготовления профилированной дуги, описываемой указанным уравнением, выполнены условия монотонного возрастания текущего радиуса ρ(ϕ) профилированной дуги от R до R + H в диапазоне угла
максимальное значение величины а_o, при котором с точностью, соответствующей точности изготовления профилированной дуги, описываемой указанным уравнением, выполнены условия монотонного возрастания текущего радиуса ρ(ϕ) профилированной дуги от R до R + H в диапазоне угла ϕ от
а₂ постоянная величина, определяемая из выражения

а₁ постоянная величина, определяемая из выражения

C_o постоянная величина, определяемая из выражения
C₁ постоянная величина, определяемая из выражения C₁=a₁+π·a₂;
R радиус двух дуг, образующих часть профиля внутренней поверхности статорного кольца, м;
h_o расстояние от центра ротора до точки наибольшего вылета разделительной пластины из паза ротора, определяемое из выражения h_о R + H, м;
H величина наибольшего вылета разделительной пластины из паза ротора, м;
α_o центральный угол с вершиной в центре ротора, на который опирается половина каждой из дуг радиуса R, рад;
3. Насос по пп.1 и 2, отличающийся тем, что величина а_o находится в диапазоне -0,172 ≅ a_o ≅ 0,366.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5