Роторный механизм

Изобретение относится к машиностроению. Роторный механизм содержит установленный в корпусе ротор. Ротор имеет винтовые многозаходные рабочие каналы. Рабочие каналы плотно перекрыты корпусом и заслонками. Заслонки закреплены на разделительных звездочках. Звездочки установлены перекрестно ротору. Заслонки выполнены гибкими из пакетов упругих жаростойких листов с антифрикционными износостойкими покрытиями. Заслонки могут быть установлены с заглублением оси их вращения вплоть до внешней поверхности образующего цилиндра ротора. Может быть установлено три и более заслонок. Техническим результатом является упрощение конструкции механизма. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в двигателях внутреннего (ДВС) и внешнего сгорания, паровых и пневматических приводах, компрессорах и насосах для газов и воздуха.

Известен роторный механизм, которой содержит корпус с патрубками подвода и отвода рабочего тела и установленные в нем два винтовых ротора, имеющие многозаходные, входящие в плотное зацепление профили с образованием одного рабочего канала [Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные машины. М.: Энергоатомиздат.1989 г., стр. 24, рис. 1.17 и 1.18.]. Данный роторный механизм типично используется в качестве компрессора, но возможно его применение и в качестве паровой расширительной машины [Патент РФ 2374455].

Недостатками роторных машин этого типа являются:

- сложность конструкции, включающей плотно установленные, взаимно контактирующие вращающиеся элементы;

- низкая производительность или мощность из-за участия в работе только одного рабочего канала;

- низкая надежность из-за больших некомпенсированных осевых и радиальных усилий роторов;

- неприспособленность для использования в виде расширительной ступени в циклах ДВС, Ренкина и других, так как они требуют смазки и компенсации температурных расширений.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является роторный механизм, содержащий рабочую ступень, которая включает ротор, имеющий шестизаходный глобоидальный профиль с рабочими каналами, плотно перекрытыми корпусом, и установленными перекрестно ротору вращающимися разделительными заслонками, закрепленными на разделительных звездочках. Этот роторный механизм используется в качестве компрессора, причем здесь заслонки перекрывают все каналы, и они все задействованы в работе. В корпусе также установлены патрубки для подвода рабочего тела и отвода сжатого рабочего тела. Заслонки выполнены из антифрикционного, износостойкого пластика с предельной температурой применения до 300°C. Обе заслонки установлены симметрично и за счет этого компенсируются радиальные усилия. Они имеют по 11 лучей, которые выполнены прямыми, с постоянной шириной. Для компенсации осевого усилия полости нагнетания и всасывания сообщаются сложной системой каналов. Характерно, что рабочие каналы, разделительные звездочки и заслонки имеют сложную геометрию и требуют высокой точности и качества изготовления. [Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные машины. М.: Энергоатомиздат.1989 г., стр. 221, рис. 7.17].

Недостатками этого роторного механизма являются:

- сложность конструкции, в том числе из-за требования высокой точности изготовления плотно установленных, взаимно контактирующих вращающихся элементов;

- неприспособленность для работы в виде расширительной ступени в циклах ДВС, Ренкина и других циклах, так как заслонки не выдерживают высокой температуры;

- низкая производительность или мощность из-за малого объема рабочих каналов.

Предлагаемым изобретением решаются задачи упрощения конструкции, увеличения производительности (для компрессора) и/или мощности (для расширительной машины) роторного механизма с обеспечением возможности применения его для работы в высокотемпературных циклах, включая ДВС, цикл Ренкина и другие.

Для достижения этого технического результата в роторном механизме, содержащем установленный в корпусе ротор, имеющий винтовые многозаходные рабочие каналы, которые плотно перекрыты корпусом и заслонками, закрепленными на разделительных звездочках, установленных перекрестно ротору, согласно изобретению заслонки выполнены гибкими из пакетов упругих жаростойких листов с теплоизолирующими и антифрикционными износостойкими покрытиями.

Кроме того, предлагается заслонки устанавливать с заглублением оси их вращения вплоть до поверхности цилиндра образующего ротор. Причем предлагается устанавливать три и более заслонки.

Выполнение роторного механизма с гибкими заслонками из пакетов упругих жаростойких листов с антифрикционными износостойкими покрытиями позволяет упростить его конструкцию путем гибкой компенсации неточностей изготовления и температурных расширений, а также использовать его в циклах ДВС, Ренкина и других циклах при высокой температуре.

Увеличить объем рабочих каналов и их количество и таким путем поднять производительность или мощность роторного механизма позволяют следующие дополнительные признаки:

- заглубление оси вращения заслонок вплоть до внешней поверхности цилиндра, образующего ротор, увеличивает объем рабочих каналов за счет их заглубления;

- установка вокруг ротора трех и более заслонок увеличивает объем за счет большего числа рабочих каналов.

На фиг. 1 схематично показан роторный механизм для варианта расширительной машины. На фиг. 2 и 3 показаны сечение А-А и вид Б рабочего канала с уплотнением его предлагаемой конструкцией гибкой заслонки. На фиг. 4 и 5 показаны схемы перекрытия рабочих каналов гибкой заслонкой.

Роторный механизм, фиг. 1, в варианте расширительной машины содержит установленный в корпусе 1 ротор 2, имеющий винтовые многозаходные рабочие каналы 3, образованные винтовыми перегородками 4. Рабочие каналы 3 плотно перекрыты корпусом 1 и заслонками 5. Заслонки 5 закреплены на разделительных звездочках 6, установленных зеркально симметрично по отношению к ротору 2 на валах 7. При этом лучи звездочек 6 свободно, с зазорами проходят через рабочие каналы 3, а уплотнение обеспечивается упругими заслонками 5.

Над каждой заслонкой 5 в зоне ее входа в рабочий канал 3 имеется патрубок 8 для подвода сжатого рабочего тела (условно показано стрелкой 9). Штриховкой показан объем 10 рабочего канала 3 в процессе расширения рабочего тела, а стрелкой 11 показан его выхлоп. Вал 12 служит для отбора получаемой мощности.

Наибольшие проблемы возникают при уплотнении рабочего канала 3 заслонкой 5, особенно в зоне подключения патрубка 8 сжатого рабочего тела. В этой зоне наблюдаются наиболее высокие давление и температура, например, при подаче перегретого пара или высокотемпературных продуктов сгорания. На фиг. 2 и 3 показаны сечение А-А и вид Б рабочего канала 3 с уплотнением между его винтовыми перегородками 4 подвижной звездочки 6 предлагаемой гибкой заслонкой 5. Заслонка 5 выполнена из пакетов упругих жаростойких листов 13, 14, например из тонких листов титана или жаростойкой стали с антифрикционными износостойкими покрытиями или прокладками 15. При этом упругие листы увеличивают степень гибкой компенсации, и рабочий канал может выполняться упрощенно, с неточностями.

Антифрикционные износостойкие покрытия или прокладки 15 в этой конструкции располагаются в зоне подвижного контакта между упругими жаростойкими листами 13 и винтовыми перегородками 4 рабочего канала 3.

Возможные из предлагаемых конструкций ротора 2 и рабочих каналов 3 показаны на фиг. 4 и 5 как схемы перекрытия рабочих каналов 3 гибкими заслонками 5, вращающимися на валах 7. При этом рабочее тело, например пар, как условно показано стрелкой 9, входит справа, а его выхлоп показан стрелкой 11. В простом случае, фиг. 4, ротор 2 выполнен в форме цилиндра с винтовыми проточками прямоугольного сечения, которые и являются рабочими каналами 3, разделенными винтовыми перегородками 4. При этом вокруг ротора 2 при увеличении его диаметра может быть установлено три и более гибкие заслонки 5 с соответствующим увеличением производительности (компрессор) или полезной мощности (расширительная машина).

Объем рабочих каналов 3 также возможно значительно увеличить, фиг. 5, устанавливая заслонки с заглублением оси их вращения вплоть до поверхности образующего цилиндра ротора. При этом вершины заслонок заглубляются в тело ротора 2, как показано пунктиром 16, фиг. 5. Здесь объем рабочих каналов 3 увеличивается как за счет заглубления, так и из-за их искривления вокруг проточки 17. При этом число перекрытых заслонкой 5 каналов увеличивается, на фиг. 5, с трех до пяти, а ротор 2 выполняется подобно червячному колесу с круглой проточкой 17, как показано пунктиром.

Работа устройства. При работе роторного механизма в варианте расширительной машины, фиг 1, сжатое рабочее тело, например пар, вводится через патрубок 8, как условно показанного стрелкой 9, в рабочий канал 3. При дальнейшем повороте ротора 2 данный рабочий канал 3 перемещается относительно корпуса 1 и отключается от патрубка 8, а заслонка 5, гибко деформируясь, входит в канал 3, плотно перекрывая его сечение и выделяя в этом замкнутом объеме порцию пара. Далее пар давит на стенки рабочего канала и заслонку 5, расширяется в выделенном штриховкой объеме 10 рабочего канала 3, ограниченного заслонкой 5, корпусом 1 и с боков винтовыми перегородками 4 и при этом совершает полезную работу. Расширение пара заканчивается при выходе луча заслонки 5 из зацепления и открытия канала 3 со стороны выхлопа, причем канал 3 снова начинает заполняться паром от второго патрубка 8 и вторая заслонка 5 выделяет следующую порцию пара. Таким же образом процесс расширения происходит и в остальных рабочих каналах, в том числе и во второй симметрично расположенной половине роторного механизма с передачей работы пара и вращающего момента на вал 12.

Разделительные звездочки 6 установлены на валах 7, и благодаря этому они вращаются согласованно с ротором 2 и воспринимают усилия давления пара на заслонки 5. Отработавший пар после выхода заслонки из зацепления и открытия канала 3 поступает на выхлоп, как показано стрелкой 11.

Уплотнение рабочего канала 3 с компенсацией тепловых расширений гибкой заслонкой 5, которая выполнена из пакетов упругих жаростойких листов 13, 14 с антифрикционными износостойкими покрытиями или прокладками 15, как показано на фиг. 2 и 3, сечение А-А и вид Б, осуществляется за счет усилий изгиба и деформации упругих листов 13 при их зажатии через прокладки 15 между винтовыми перегородками 4 рабочего канала 3. При этом уплотнение работает надежно, так как воздействие среды с высокой температурой и высоким давлением Р₊, особенно в зоне подключения патрубка 8, воспринимается листами 13, 14 из жаростойкого материала, а подвижный контакт упругого листа 13 с винтовыми перегородками 4 защищен антифрикционными износостойкими покрытиями или прокладками 15. Рабочее тело, например пар, по мере движения от исходного состояния, стрелка 9, расширяется до конечного состояния на выхлопе, стрелка 11.

Работа устройства в варианте заглубления оси вращения заслонок в ротор 2 с увеличенным объемом и числом рабочих каналов, фиг. 5, не отличается от работы в более простом варианте, фиг. 4. При этом вершины заслонок заглубляются в тело ротора 2, как показано пунктиром 16, фиг. 5, а рабочие каналы располагаются в роторе между проточкой 17 и их внешней границей 16.

1. Роторный механизм, содержащий установленный в корпусе ротор, имеющий винтовые многозаходные рабочие каналы, которые плотно перекрыты корпусом и заслонками, закрепленными на разделительных звездочках, установленных перекрестно ротору, отличающийся тем, что заслонки выполнены гибкими из пакетов упругих жаростойких листов с антифрикционными износостойкими покрытиями.

2. Роторный механизм по п. 1, отличающийся тем, что заслонки установлены с заглублением оси их вращения вплоть до внешней поверхности образующего цилиндра ротора.

3. Роторный механизм по п. 1, отличающийся тем, что установлено три и более заслонки.