Объемная роторная машина

 

Машина предназначена для использования в энергомашиностроении в качестве двигателя, насоса, компрессора. Машина содержит статор, ведущий ротор, установленный с возможностью вращения и имеющий по меньшей мере один зуб, по меньшей мере один ведомый зубчатый уплотняющий диск, установленный с возможностью вращения и зацепления с ведущим ротором, вход и выход рабочего тела. Ведущий ротор выполнен замкнутым с по меньшей мере одним пазом, концентричным его оси вращения, зуб ротора навит на кольцо, статор снабжен перегородкой, опирающейся на кольцо, концентричной оси вращения ведущего ротора, расположенной в пазу последнего, кольцо и перегородка имеют по меньшей мере один паз, в котором расположен ведомый зубчатый уплотняющий диск. Изобретение позволяет расширить технологические и эксплуатационные возможности при увеличении КПД и удельной мощности и обеспечении компактности. 7 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к объемным роторным машинам с вращающимися рабочими органами, и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), в том числе и в дизелях, в двигателях с внешним источником энергии, компрессорах, насосах, турбинах, в измерительной технике, например расходомерах, дозиметрах.

Известны роторно-поршневые машины, содержащие статоры, имеющие форму торов или сегментов торов, и размещенные в них роторы-поршни в виде сегментов торов (US 2904023 A, 1959; SU 1560730 A1, 1990; SU 527520 A, 1977; SU 1733649 A, 1992).

Однако эти машины имеют большие габариты и сложную конструкцию.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является объемная роторная машина, содержащая статор, ведущий ротор, установленный с возможностью вращения и имеющий по меньшей мере один зуб, по меньшей мере один ведомый зубчатый уплотняющий диск, установленный с возможностью вращения и зацепления с ведущим ротором, вход и выход рабочего тела (SU 757770 A, 1980).

Недостатками этой машины являются: а) отсутствие универсальности, так как в качестве компрессора из-за того, что отсекаемый объем соединяется с областью нагнетания без предварительного сжатия роторами, не применима как ДВС; б) большие габариты; в) наличие балластного объема, что снижает КПД.

Задачей изобретения является создание универсальной роторной машины, не содержащей балластного объема (объем конструктивных элементов которой определяется только прочностью материалов), менее чувствительной к абразивным примесям рабочего тела, допускающую применение эффективных методов уплотнения типа лабиринтных уплотнений, уплотнительных колец, работающей с высоким КПД. Попутно выявилась возможность полностью разгрузить ведомый ротор от момента по его оси вращения со стороны рабочего тела, что облегчает его синхронизацию с ведущим ротором и уменьшает их износ.

Поставленная задача достигается за счет того, что в объемной роторной машине, содержащей статор, ведущий ротор, установленный с возможностью вращения и имеющий по меньшей мере один зуб, по меньшей мере один ведомый зубчатый уплотняющий диск, установленный с возможностью вращения и зацепления с ведущим ротором, вход и выход рабочего тела, ведущий ротор выполнен замкнутым с по меньшей мере одним пазом, концентричным его оси вращения, зуб ротора навит на кольцо, статор снабжен перегородкой, опирающейся на кольцо, концентричной оси вращения ведущего ротора, расположенной в пазу последнего, кольцо и перегородка имеют по меньшей мере один паз, в котором расположен ведомый зубчатый уплотняющий диск.

Изобретение поясняется чертежами (фиг. 1 - 7), изображенные на которых узлы и элементы имеют следующие номера позиций.

1 - зубчатый вращающийся ведомый уплотняющий диск (ВЗВУД); 2 - радиальный паз на ВЗВУД; 3 - труба; 4 - широтный фрагмент полого тора; 5 - конусная труба; 6 - окно выхода; 7 - диск;
8 - патрубок нагнетания;
9 - окно входа;
10 - патрубок всасывания;
11 - сегмент полого тора;
12 - ось ВЗВУД;
13 - зубья для фиксации привода;
14 - подшипники;
15 - ось;
16 - ведущий винт (ротор);
17 - зубья ведущего винта (ротора);
18 - тор-кольцо;
19 - статор;
20 - паз под ВЗВУД;
21 - камера, увеличивающаяся в объеме, связанная с окном входа;
22 - камера максимального объема (первый локальный максимум);
23 - камера, уменьшающаяся в объеме;
24 - камера, уменьшающаяся в объеме, связанная с окном выхода;
25 - камера минимального объема;
26 - камера, увеличивающаяся в объеме;
27 - камера максимального объема (второй локальный максимум);
28 - место для возможного размещения свечи;
29 - перегородка статора;
30 - паз на ведущем винте под перегородку статора.

На фиг. 1 изображена объемная роторная машина (ОРМ), спроектированная под компрессор, разрез по оси машины проходит через зубчатый вращающийся ведомый уплотняющий диск (ВЗВУД);
на фиг. 2 - вид компрессора сверху;
на фиг. 3 - развертка компрессора;
на фиг. 4 - ОРМ, спроектированная под ДВС, разрез по оси машины проходит через один из ВЗВУД;
на фиг. 5 - вид ДВС сверху с местным разрезом по оси ВЗВУД;
на фиг. 6 и 7 - развертки ДВС для винта с шагом 4 Пи и 2 Пи радиан соответственно, где ВЗВУД 1 (фиг. 1, 3) компрессора представляет собой себя диск, выполненный зацело с его осью 12 (фиг. 1). Толщина диска уменьшается к периметру. Диск имеет три радиальных паза 2 (фиг. 1), равномерно разнесенных по периметру. В статоре 4 размещено тор-кольцо 18.

Статор 19 (фиг. 1, 2) выполнен в виде объединения шести концентрических фигур. На тор 18 (фиг. 1) опирается отрезок конусной трубы 5 (фиг. 1, 2), пересекающей по окружности широтный фрагмент полого тора 4 (фиг. 1), имеющий с тором 18 общую осевую окружность. Внешняя (более узкая) часть отрезка конусной трубы служит патрубком нагнетания 8 (фиг. 1). На фрагмент полого тора извне опирается патрубок всасывания 10 (фиг. 1, 2) в виде трубы 3 (фиг. 1, 2) максимального радиуса. Тор и конусную трубу рассекает паз 20 (фиг. 2) под ВЗВУД, ось которого касается осевой окружности торов. Между трубами 5 и 3 на сегменте тора выполнено окно всасывания 9 (фиг. 1, 2, 3), примыкающее к плоскости паза 20, занимающее все пространство между трубами, простирающееся в пределах около 240 градусов вокруг оси торов. На поверхности сегмента полого тора, внутренней по отношению к конусной трубе 5, имеется нагнетательное окно 6 (фиг. 1, 2, 3), примыкающее к плоскости паза с другой стороны, на всю ширину сегмента тора с угловым размером примерно 120 градусов. Отверстие сегмента тора перекрывает диск 7 (фиг. 1, 2), из которого выходит ось 15 (фиг. 1). Элемент статора - перегородка 29 (фиг. 1) образуется тором 18 и конусной трубой 5.

Ведущий винт 16 (фиг. 1) имеет форму сегмента полого тора 11 (фиг. 1), дополняющего сегмент полого тора статора 4. На нем закреплены три замкнутых зуба 17 (фиг. 1, 3), навитые на тор 18 (один виток вокруг тора - один оборот вокруг оси тора), разбивающие пространство между тором 18 и полым тором на три камеры. Зубья рассечены пазом 30 (фиг. 3) под конусную трубу 5. Ось 12 (фиг. 1) ВЗВУД фиксируется в подшипниках, расположенных в торе статора 18. Ведущий винт фиксируется на оси статора 15 посредством подшипников 14 (фиг. 1). На нем имеется концентрическое отверстие с зубьями 13 (фиг. 1) для фиксации оси двигателя. Патрубок выхода 8 (фиг. 1, 2) находится внутри патрубка входа 10 (фиг. 1, 2).

Динамика ОРМ (компрессора) показана на его развертке. Разрезы проходят по ВЗВУД 1 и по перегородке 29 (точнее по конусной трубе 5). Пространство в виде тора, образованное элементами статора и ведущего винта, разбито перегородкой 29 статора и ВЗВУД 1, и на развертке имеет вид прямоугольника. Зубьями 17 (фиг. 3) ведущего винта оно разбивается на несколько камер. Вращение ведущего винта через зацепление передается ВЗВУД. Зубья ведущего винта скользят в пазах ВЗВУД, полностью перекрывая те их части, которые не перекрыты перегородкой статора. По одну сторону ВЗВУД образуются камеры 21 (фиг. 3), объем которых увеличивается. Они через окно 9 (фиг. 3) связаны с патрубком ввода 10. Когда объем камер 22 (фиг. 3) достигает максимального значения, их связь с окнами всасывания прекращается. Далее объем камер 23 (фиг. 3) уменьшается, и при достижении нужного сжатия камеры 24 (фиг. 3) соединяются с нагнетательным окном 6 (фиг. 3) и их объем уменьшается до нуля.

Наиболее полно раскрывает возможности ОРМ ее использование в качестве ДВС (дизель). Он состоит из статора, ведущего винта и 4-х ВЗВУД и имеет форму тора, образованного фрагментами ведущего винта (ротора) и статора.

Статор 19 (фиг. 4) образован тором 18 (фиг. 4, 5), соединенным конусной трубой 5 (фиг. 4) с широтным сегментом полого тора 4 (фиг. 4, 5). Тор 18 с конусной трубой 5 образует перегородку 29. На перегородке 29 выполнены четыре меридиональных паза 20 (фиг. 5) под ВЗВУД. На сегменте тора 4 выполнены четыре окна подвода горючей смеси 9 (фиг. 5, 6) и четыре окна выхлопа 6 (фиг. 5, 6), примыкающие к плоскостям пазов под ВЗВУД с противоположных сторон, так что окна подвода лежат внутри конусной трубы 5, а окна выхлопа - вовне.

Ведущий винт 16 (фиг. 4) имеет форму сегмента полого тора 11 (фиг. 4), дополняющего сегмент полого тора статора 4. На нем закреплено три замкнутых зуба 17 (фиг. 4, 6), навитые на тор 18 (один виток вокруг тора - два оборота вокруг оси тора), разбивающие пространство между тором 18 и полым тором на три камеры. Зубья рассечены пазом 30 (фиг. 4, 6) под конусную трубу 5. На внешней стороне ведущего винта имеются зубья 13 (фиг. 4) для фиксации оси привода.

ВЗВУД представляет собой диск 1 (фиг. 4, 6, 7), жестко посаженный на ось 12 (фиг. 4), которая закреплена в статоре в подшипниках; диск имеет шесть радиальных пазов 2 (фиг. 4, 5), в которые входят зубья ведущего винта, перекрывая те их части, которые не перекрыты перегородкой 29.

Дизель работает следующим образом.

При вращении роторов камеры 21 (фиг. 6), образованные полым тором ведущего винта, перегородкой статора 29, ВЗВУД 1 и зубьями 17 (фиг. 6) ведущего винта, находящимися с внутренней стороны конусной трубы 5, увеличиваются в объеме и наполняются горючей смесью через окна всасывания 9 (фиг. 6). Когда их объем достигает локального максимума 22 (фиг. 6), связь с окнами всасывания прекращается. По мере приближения их к оси симметрии тора объем камер начинает уменьшаться за счет геометрии тора и дополнительно за счет того, что радиус осевой окружности тора статора меньше радиуса полого тора. Этим можно добиться любой степени сжатия. Когда камеры 25 (фиг. 6) расположены симметрично по отношению к экваториальной плоскости, степень сжатия максимальна и горючая смесь воспламеняется. Далее по мере приближения к конусной трубе объем камер 26 (фиг. 6) увеличивается. Второй локальный максимум объема 27 (фиг. 6) больше, чем первый, за счет того, что конусная труба разделяет тор не по экваториальной плоскости, благодаря чему камера 24 (фиг. 6) соединяется с окнами выхлопа 6 (фиг. 6) при давлении, равном атмосферному. На фиг. 7 для сравнения показан вариант с шестью зубьями, шаг которых вдвое меньше, и максимальная степень сжатия ДВС тоже меньше.

Возможны следующие варианты ОРМ.

1) В ОРМ может быть несколько ВЗВУД.

2) На ведущем винте 16 может быть выполнено несколько пазов, в которые входят лепестки перегородки 29 статора, это увеличивает количество камер ОРМ.

3) Дополнительные окна могут быть выполнены на ведущем винте ОРМ.

4) ВЗВУД могут быть наборными из подвижных относительно друг друга частей, могут быть снабжены роликами для обеспечения гарантированного зазора между роторами и могут иметь дополнительную внешнюю синхронизацию.

5) При заведомо неравномерном вращении ведущего винта в устоявшемся режиме, например в ДВС или компрессоре, из-за цикличности вращение ВЗВУД может быть равномерным, если шаг винта сделать переменным.

6) Возможен вариант использования ОРМ в качестве насоса с неподвижным ведущим винтом и вращающимся статором. При этом окна выполняются на ведущем винте, через который выходит ось статора. Возможны компромиссные варианты расположения окон на статоре и на ведущем винте.

7) На все рабочие кромки (на поверхности пазов ВЗВУД и статора, на кромках зубьев) можно нанести лабиринтные уплотнения или другие (например, установить аналоги уплотнительных колец).

8) Для уменьшения трения роторы могут быть установлены в подшипниковых опорах.

Кроме того, в исполнении ОРМ в качестве ДВС, если разместить на торе статора 18 в небольших углублениях 28 (фиг. 6) свечи и форсунки непрерывного действия, то получится ДВС на жидком топливе. Двигатель в данном исполнении может работать и как компрессор, и как насос, в зависимости от размера выходных окон.

В данных исполнениях ОРМ в виде компрессора и в виде ДВС ей присущи следующие качества.

1) ОМР компактна, ее основной объем - рабочий, так как в закольцованном цилиндре в виде полого тора с дном и поршнями двойного действия, лишенными балластного объема, нет ничего лишнего, все детали максимально задействованы для выполнения полезной работы, что улучшает удельные показатели машины.

2) Толщина и профиль зубьев ведущего винта и ВЗВУД определяются только прочностью форм и материалов и удобством изготовления, что облегчает их изготовление (зубья винта можно сделать на токарном станке с приставкой типа поворотного стола).

3) Так как ВЗВУД контактирует с рабочим телом поверхностью вращения, то ему не передается момент по этой оси со стороны рабочего тела и, следовательно, при его равномерном вращении трение между ним и ведущим винтом минимально, что снижает износ, увеличивает КПД.

4) ВЗВУД хорошо очищает ведущий винт от возможных примесей рабочего тела, проталкивая твердые частицы в окна выхода. В камерах ОРМ нет неочищенных зон. Это расширяет область применения ОРМ.

5) Площадь сечения потока рабочего тела соответствует его степени сжатия, так что гидравлические потери в машине минимальны, что увеличивает КПД.

6) Регулируя угловые размеры окон 6 и 9, можно задавать оптимальные режимы работы для различных степеней сжатия рабочего тела. В том числе при степени сжатия 1 ОРМ превращается в насос для газа и жидкости.

7) Степень сжатия ОРМ в виде компрессора и ДВС может быть увеличена разными способами: за счет уменьшения угловых размеров окна нагнетания, за счет изменения радиуса осевой окружности тора 18 статора и радиуса его сечения, за счет изменения количества зубьев 17 ведущего винта или их шага, за счет изменения положения перегородки 29 статора.

8) Конструкция ОРМ не накладывает ограничений на степень сжатия (ограничения определяются только термостойкостью, прочностью материала и точностью изготовления), что делает возможным использовать ОРМ как дизель.

9) Конструкция допускает постановку уплотнений (лабиринтных или типа колец) на все взаимодействующие кромки.

10) Круговые стыки между сегментами полого тора 4 статора и ведущего винта ДВС не требуют тщательной герметизации, так как давление в этом районе близко к атмосферному, а для компрессора это справедливо для одного такого стыка.

11) Влияние утечек в пазах ВЗВУД ослаблено тем, что с другой стороны находятся камеры с близким давлением.

Перечисленные преимущества, а также более широкий спектр материалов, вплоть до керамики, не характерный для поршневых дизелей из-за вибраций от возвратно-поступательных движений, и как следствие возможное повышение КПД, большие обороты и как следствие высокая удельная мощность дают возможность применять такие двигатели в авиации. Возможно удастся размещать двигатели такого типа в колесах автомобиля.

Формула изобретения

Объемная роторная машина, содержащая статор, ведущий ротор, установленный с возможностью вращения и имеющий по меньшей мере один зуб, по меньшей мере один ведомый зубчатый уплотняющий диск, установленный с возможностью вращения и зацепления с ведущим ротором, вход и выход рабочего тела, отличающаяся тем, что ведущий ротор выполнен замкнутым с по меньшей мере одним пазом, концентричным его оси вращения, зуб ротора навит на кольцо, статор снабжен перегородкой, опирающейся на кольцо, концентричной оси вращения ведущего ротора, расположенной в пазу последовательно, кольцо и перегородка имеют по меньшей мере один паз, в котором расположен ведомый зубчатый уплотняющий диск.

РИСУНКИ

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