Роторно-лопастное устройство
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к роторно-лопастным машинам, и может использоваться в турбинах, двигателях внутреннего и внешнего сгорания, пневмодвигателях, компрессорах, насосах, детандерах. Техническим результатом является повышение КПД. Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит корпус с торцевыми крышками и несоосно размещенный в нем ротор с лопастями, разделяющий корпус на внешние камеры. Каждая лопасть соединена с ротором через ось и снабжена на конце узлом качения-уплотнения, состоящим из трех роликов, расположенных на одной оси. При этом лопасть опирается боковыми роликами узла качения-уплотнения на внутренние края пазов без соприкосновения с их внешними краями, и средним роликом опирается на внутреннюю поверхность корпуса. Оси вращения лопастей размещены в средней части лопастей и делят их на два плеча. На первом плече лопастей установлен узел качения-уплотнения, а второе плечо образует с радиальными и цилиндрическими поверхностями ротора внутренние камеры, снабженные дополнительными впускными и выпускными клапанами. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к роторно-лопастным устройствам и может использоваться в турбинах, двигателях внутреннего и внешнего сгорания, пневмодвигателях, компрессорах, насосах, детандерах.
Предшествующий уровень техники
Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому техническому результату, выбранным в качестве прототипа к заявляемому устройству, является роторно-лопастное устройство (патент на изобретение RU 2538148 С2, опубл. 10.01.2015 г., МПК F01С 1/44, F04C 2/44).
Недостатками прототипа являются пониженный КПД устройства из-за малого угла поворота ротора, на котором рабочее тело совершает полезную работу и наличия паразитных сил.
Раскрытие изобретения
Задачей заявленного изобретения является повышение КПД устройства, за счет увеличения угла поворота ротора на котором рабочее тело совершает полезную работу и уменьшения паразитных сил.
Поставленная задача достигается тем, что в роторно-лопастном устройстве, содержащем корпус с торцевыми крышками и не соосно размещенный в нем ротор с лопастями, разделяющий корпус на внешние камеры, на внутренней поверхности торцевых крышек вдоль соединения торцевых крышек с корпусом выполнены пазы, каждая лопасть соединена с ротором через ось параллельную оси ротора и снабжена на конце узлом качения-уплотнения, состоящим из трех роликов, расположенных на одной оси, при этом лопасти опираются крайними роликами узла качения уплотнения на внутренние края пазов, без соприкосновения с внешними краями пазов и средним роликом на внутреннюю поверхность корпуса, согласно изобретению оси вращения лопастей, размещены в средней части лопастей и делят их на два плеча, при этом на первом плече лопастей установлен узел качения-уплотнения, а второе плечо лопастей образует с радиальными и цилиндрическими поверхностями ротора внутренние камеры, снабженные дополнительными впускными и выпускными клапанами.
Краткое описание чертежей
Заявленное роторно-лопастное устройство представлено:
на фиг. 1 - роторно-лопастное устройство в поперечном разрезе корпуса;
на фиг. 2 - роторно-лопастное устройство в продольном разрезе корпуса;
на фиг. 3 - лопасть роторно-лопастного устройства;
на фиг. 4 - лопасть в сборе.
Роторно-лопастное устройство содержит цилиндрический корпус 1 с торцевыми крышками 2 и не соосно размещенный в нем ротор 3 с лопастями 4, который делит корпус 1 на внешние камеры 5, при этом лопасти 4 соединены с ротором 3 через оси 6. Лопасти 4 на концах имеют узлы качения-уплотнения 7. Лопасти 4 выполнены двуплечными, с размещением осей 6 вращения лопастей 4 в средней части лопастей 4, при этом на первом плече 8 лопастей 4 установлен узел качения-уплотнения 7, а второе плечо 9 лопастей 4 образуют с радиальными поверхностями 10 ротора 3 и цилиндрическими поверхностями 11 ротора 3 внутренние камеры 12, снабженные собственными впускными 13 и выпускными 14 клапанами. Радиальная поверхность 10 ротора 3 выполнена с изгибом, совпадающим с радиусом, который описывает концевая кромка второго плеча 9 лопасти 4.
Корпус 1 имеет внутреннюю цилиндрическую поверхность 15. Внутренние и внешние края пазов 16, выполненные в торцевых крышках 2 корпуса 1, параллельны поверхности 15. Узлы качения-уплотнения 7 имеют боковые ролики 17 и средние ролики 18. Ширина пазов 16 равна диаметру роликов 17, но на поверхности 15 в местах совмещения с внешними краями пазов 16 выполнены технологические зазоры. Роторно-лопастное устройство составляет основу роторно-лопастной турбины. Роторно-лопастная турбина имеет впускные 19 и выпускные 20 каналы. Края лопастей 4 прилегающие к торцевым крышкам 2 и второе плечо 9 лопастей 4, прилегающие к радиальным поверхностям 10 ротора 3, могут быть оборудованы лабиринтными уплотнениями или уплотнительными пластинами 21.
Осуществление изобретения
Роторно-лопастная турбина работает следующим образом. Лопасти 4 делят внутренний объем корпуса 1 на равное лопастям 4 количество внешних камер 5, причем угол раскрытия лопастей 4 менее 90°. Такое же количество внутренних камер 12 образуют второе плечо 9 лопастей 4 с радиальными 10 и цилиндрическими 11 поверхностями ротора 3. При вращении ротора 3 лопасти 4 складываются и раскрываются, изменяя объемы внешних 5 и внутренних 12 камер из-за смещенности осей ротора 3 и корпуса 1. Во всех камерах поочередно проходят одинаковые термодинамические процессы. Конструкция роторно-лопастного устройства одновременно выступает в роли золотниковых клапанов, т.к. части устройства при вращении обеспечивают перекрытие или открытие нескольких совмещающихся каналов. Рабочее тело (пар, сжатый газ …) подается через впускные каналы 19 и впускной клапан 13 роторно-лопастной турбины в полость внешних 5 или внутренних 12 камер, давит на площади лопастей 4 и второго плеча 9 лопастей 4. Т.к. лопасти 4 складываются и раскрываются со смещением по времени относительно друг друга, их площади имеют радиальный перепад, соответственно, рабочее тело заставляет ротор 3 вращаться в сторону лопасти 4 с большей площадью. Рабочее тело в соседних внешних камерах 5 имеет разное давление, которое воздействуя на первое плечо 8 лопастей 4, заставляет ротор 1 вращаться в сторону внешней камеры 5 с меньшим давлением. Конструкция роторно-лопастной турбины позволяет использовать кинетическую энергию рабочего тела во внешних камерах 5, за счет потока рабочих газов, направленного впускным каналом 19 в сторону вращения ротора 3 с лопастями 4 и потенциальную энергию рабочего тела, т.к. внешние 5 и внутренние 12 камеры перекрыты лопастями 4 с минимальными технологическими зазорами. Двуплечие лопастей 4 создано для того, чтобы во внешних камерах 5, за счет более длинного второго плеча 9 лопасти 4 относительно длины первого плеча 8 лопасти 4, создать на среднем ролике 18 узла качения-уплотнения 7 силу, направленную на внутреннюю поверхность 15 корпуса 1, в результате чего появляется дополнительный положительный крутящий момент. В такте выпуска рабочего тела из внешних камер 5 в выпускные каналы 20, во внутренние камеры 12 через впускной клапан 13 подается рабочее тело под давлением, которое отклоняет второе плечо 9 лопастей 4, за счет этого на боковых роликах 17 узла качения-уплотнения 7 создается сила, направленная на внутренние края пазов 16, что приводит к созданию дополнительного положительного крутящего момента. Выпуск рабочего тела из внутренних камер 12 возможен как через дополнительные выпускные каналы 22 в торцевых крышках 2 корпуса 1, так и через выпускной клапан 14 золотникового клапана 23.
Представленное роторно-лопастное устройство решает несколько задач:
Повышение КПД происходит из-за увеличения времени давления рабочих газов на лопасти 4 и вторые плечи 9 лопастей 4, раскрывающих или складывающих лопасти 4, ролики 17 и 18 которых, при взаимодействии с поверхностями 15 и внутренними краями пазов 16, создают положительный крутящий момент, при этом, в два раза увеличен угол поворота ротора 3, в секторе которого на ротор 3 действует положительный крутящий момент, тем самым в роторно-лопастном устройстве устранены паразитные силы, имеющиеся в конструкции заявленного прототипа.
Т.к. инерционность конструкции роторно-лопастной турбины низкая, появляется возможность увеличения оборотов ротора 3, ведущего к дифференциации температурной напряженности деталей турбины, снижая порог их разрушения.
Благодаря новой совокупности существенных признаков заявляемого решения достигается следующее:
- увеличение термодинамического КПД;
- повышение крутящего момента и уменьшение паразитных сил, за счет увеличения угла поворота ротора, на котором рабочее тело совершает полезную работу.
1. Роторно-лопастное устройство, содержащее корпус с торцевыми крышками и не соосно размещенный в нем ротор с лопастями, разделяющий корпус на внешние камеры, на внутренней поверхности торцевых крышек вдоль соединения торцевых крышек с корпусом выполнены пазы, каждая лопасть соединена с ротором через ось, параллельную оси ротора, и снабжена на конце узлом качения-уплотнения, состоящим из трех роликов, расположенных на одной оси, при этом лопасти опираются боковыми роликами узла качения-уплотнения на внутренние края пазов, без соприкосновения с внешними краями пазов и средним роликом на внутреннюю поверхность корпуса, отличающееся тем, что оси вращения лопастей размещены в средней части лопастей и делят их на два плеча, при этом на первом плече лопастей установлен узел качения-уплотнения, а второе плечо лопастей образует с радиальными и цилиндрическими поверхностями ротора внутренние камеры, снабженные дополнительными впускными и выпускными клапанами.
2. Роторно-лопастное устройство по п. 1, отличающееся тем, что ротор с лопастями изготовлены полыми и снабжены клапанами.
