Цилиндрическая симметричная объемная машина

Изобретение относится к цилиндрической симметричной объемной машине. Объемная машина содержит корпус с двумя взаимодействующими роторами в нем. Наружный ротор установлен с возможностью вращения в корпусе. Внутренний ротор установлен с возможностью вращения в наружном роторе. Между роторами расположена камера сжатия, которая будет перемещаться при вращении роторов от стороны впуска роторов к стороне выпуска роторов. Сторона впуска наружного ротора имеет вентилятор, чтобы подавать воздух в камеру сжатия. Изобретение направлено на улучшение степени заполнения машины. 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Настоящее изобретение относится к цилиндрической симметричной объемной машине.

Объемная машина также известна под названием «машина вытесняющего действия” (positive displacement machine).

В частности изобретение относится к машинам, таким как расширительные устройства, компрессоры и насосы с цилиндрической симметрией, содержащим два ротора, а именно, внутренней ротор, который установлен с возможностью вращения в наружном роторе.

Эти машины известны и описываются, например, в US 1,892,217. Также известно, что роторы могут иметь цилиндрическую или коническую форму.

Известно, что привод этих машин может осуществляться с помощью электрического двигателя.

Из заявки на патент Бельгии № BE 2017/5459 известно, что электрический двигатель может быть установлен вокруг наружного ротора, при этом статор двигателя непосредственно приводит в движение наружный ротор.

Эта машина имеет много преимуществ по сравнению с известными машинами, в которых вал двигателя соединен с помощью передаточного механизма с валом ротора наружного или внутреннего ротора.

Так, машина будет не только намного более компактной, так что занимаемая ею площадь будет меньше, это также означает, что потребуется меньше уплотнений вала и подшипников.

Эффективность машины во многом определяется степенью заполнения так называемой камеры сжатия, представляющей собой пространство между выступами роторов, которое будет перемещаться при вращении роторов от стороны впуска к стороне выпуска и тем самым уменьшаться в объеме, так что воздух, заключенный в этом пространстве, будет сжиматься.

Целью настоящего изобретения является улучшение степени заполнения такой машины.

Для достижения этой цели изобретение предлагает цилиндрическую симметричную объемную машину, содержащую корпус с двумя взаимодействующими роторами в нем, а именно, наружный ротор, установленный с возможностью вращения в корпусе, и внутренний ротор, установленный с возможностью вращения в наружном роторе, при этом между роторами расположена камера сжатия, которая перемещается при вращении роторов от стороны впуска к стороне выпуска, отличающуюся тем, что сторона впуска наружного ротора имеет вентилятор, чтобы подавать воздух в камеру сжатия.

Это дает преимущество в том, что вентилятор будет обеспечивать центростремительный поток воздуха на впуске, так что получают лучшее заполнение камеры сжатия.

Тем самым производительность машины увеличится.

Это также будет компенсировать любое преждевременное уменьшение объема камеры сжатия, происходящее до ее закрытия.

Другое преимущество состоит в том, что активно всасываемый воздух также пригоден для охлаждения, например, двигателя, который осуществляет привод машины, выпуска или масла, используемого для смазки и/или охлаждения компонентов машины.

Это может быть реализовано путем направления всасываемого воздуха вдоль упомянутых компонентов или через них перед тем, как он поступит в камеру сжатия.

В практическом варианте осуществления наружный ротор имеет дополнительную часть на его стороне впуска, в которую встроен вентилятор и которая прикреплена к наружному ротору.

Дополнительная часть может быть образована полым цилиндрическим элементом, расположенным таким образом, что его ось продолжает ось наружного ротора.

В соответствии с предпочтительным признаком изобретения наружный ротор установлен с возможностью вращения в корпусе с помощью подшипника, установленного на упомянутой дополнительной части.

Преимущество состоит в том, что можно использовать подшипник меньшего размера. Действительно, дополнительная часть, например, сама может иметь ориентированный радиально внутрь воротник, так что подшипник может быть прикреплен к этому воротнику.

Чтобы лучше показать особенности изобретения, несколько предпочтительных вариантов осуществления цилиндрической симметричной объемной машины в соответствии с изобретением будут описаны ниже в качестве неограничивающего примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1 - схематически иллюстрирует цилиндрическую симметричную объемную машину в соответствии с изобретением;

фиг. 2 - иллюстрирует поперечное сечение по линии II-II на фиг. 1;

фиг. 3 - схематически иллюстрирует альтернативный вариант осуществления части, обозначенной на фиг. 1 как F3;

фиг. 4 - схематически иллюстрирует вариацию фиг. 3;

фиг. 5 - схематически иллюстрирует другую вариацию фиг. 3.

Машина 1, схематически иллюстрируемая на фиг. 1, в данном случае представляет собой компрессорное устройство.

В соответствии с изобретением машина 1 также может представлять собой расширительное устройство. Изобретение также может относиться к насосному устройству.

Машина 1 представляет собой цилиндрическую симметричную объемную машину 1. Это означает, что машина 1 имеет цилиндрическую симметрию, т.е. такие же симметричные свойства, что и конус.

Машина 1 содержит корпус 2, имеющий впускное отверстие 3 для всасывания подлежащего сжатию газа и выпускное отверстие 4 для сжатого газа. Корпус 2 образует камеру 5.

Два взаимодействующих ротора 6a, 6b, а именно, наружный ротор 6a, установленный с возможностью вращения в корпусе 2, и внутренней ротор 6b, установленный с возможностью вращения в наружном роторе 6a, расположены в камере 5 в корпусе 2 машины 1.

Оба ротора 6a, 6b имеют выступы 7 и могут вращаться относительно друг друга взаимодействующим образом, при этом между выступами 7 образуется камера 8 сжатия, объем которой может уменьшаться при вращении роторов 6a, 6b, так что газ, захваченный в камере 8 сжатия, сжимается. Это принцип очень похож на известные соприкасающиеся взаимодействующие винтовые роторы.

Во время вращения роторов 6a, 6b упомянутая камера 8 сжатия перемещается от одного конца 9a роторов 6a, 6b к другому концу 9b роторов 6a, 6b.

Конец 9a в дальнейшем будет также называться как сторона 9a впуска внутреннего и наружного роторов 6a, 6b, а конец 9b внутреннего и наружного роторов 6a, 6b будет называться как сторона 9b выпуска.

В иллюстрируемом примере роторы 6a, 6b имеют коническую форму, при этом диаметр D, D’ роторов 6a, 6b уменьшается в осевом направлении X-X’. Однако это не является обязательным для изобретения, диаметр D, D’ роторов 6a, 6b также может быть постоянным или изменяться другим образом в осевом направлении X-X’.

Такая конструкция роторов 6a, 6b является подходящей как для компрессорного устройства, так и для расширительного устройства. В качестве альтернативы, роторы 6a, 6b также могут иметь цилиндрическую форму с постоянным диаметром D, D’. Далее, они могут иметь или переменный шаг, так что имеется встроенное объемное отношение, в случае компрессорного или расширительного устройства, или постоянный шаг, в случае, если машина 1 представляет собой насосное устройство.

Ось 10 наружного ротора 6a и ось 11 внутреннего ротора 6b представляют собой фиксированные оси 10, 11. Это означает, что оси 10, 11 не перемещаются относительно корпуса 2 машины 1, однако они не продолжаются параллельно, а расположены под углом относительно друг друга, при этом оси пересекаются в точке P.

Однако это не является обязательным для изобретения. Например, если роторы 6a, 6b имеют постоянный диаметр D, D’, оси 10, 11 могут продолжаться параллельно.

В соответствии с изобретением сторона 9a впуска наружного ротора 6a имеет вентилятор 12, чтобы подавать воздух в камеру 8 сжатия.

Это означает, что вентилятор 12 будет вращаться вместе с наружным ротором 6a, так что когда роторы 6a, 6b вращаются, вентилятор 12 также будет начинать работать.

В данном случае вентилятор 12 представляет собой радиальный вентилятор 12.

В примере, иллюстрируемом на фиг. 1 и фиг. 2, наружный ротор 6a имеет дополнительную часть 13 на стороне 9a впуска, в которую встроен вентилятор 12 и которая прикреплена к наружному ротору 6a.

В данном случае дополнительная часть 13 содержит полый цилиндрический элемент, расположенный таким образом, что его ось продолжает ось 10 наружного ротора 6a.

Дополнительная часть 13 имеет стенку 14 с определенной толщиной A, при этом лопасти 15 вентилятора установлены в этой стенке 14.

Не исключено, что высота одной или более из лопастей 15 уменьшается в осевом направлении от внутренней стороны к наружной стороне в радиальном направлении.

Тем самым может быть получен уменьшенный периметр.

Роторы 6a, 6b установлены на подшипниках в машине 1, при этом внутренний ротор 6b на одном конце 9a установлен в машине 1 на подшипнике 16, а на другом конце 9b внутренний ротор 6b как бы поддерживается наружным ротором 6a.

В иллюстрируемом примере наружный ротор 6a установлен на обоих концах 9a, 9b в машине 1 с помощью подшипников 17, 18.

Как показано на фиг. 1, наружный ротор на стороне 9a впуска установлен с возможностью вращения в корпусе 2 с помощью подшипника 17, установленного на упомянутой дополнительной части 13.

Дополнительная часть 13 имеет ориентированный радиально внутрь воротник 19, на котором установлен упомянутый подшипник 17.

В результате подшипник 17 может быть выполнен намного меньше, т.е. с меньшим диаметром, по сравнению со случаем, когда подшипник 17 установлен непосредственно на самом наружном роторе 6a.

Далее, машина 1 также имеет электрический двигатель 20, который будет приводить в движение роторы 6a, 6b. Двигатель 20 имеет ротор 21 двигателя и статор 22 двигателя.

В данном случае электрический двигатель 20 установлен вокруг наружного ротора 6a, при этом статор 22 двигателя непосредственно приводит в движение наружный ротор 6a.

В иллюстрируемом примере это реализовано тем, что наружный ротор 6a также служит в качестве ротора 21 двигателя.

Электрический двигатель 20 также имеет постоянные магниты 23, встроенные в наружный ротор 6a.

Конечно, также возможно, что магниты 23 не встроены в наружный ротор 6a, а, например, установлены на его наружной стороне.

Вместо электрического двигателя 20 с постоянными магнитами 23 (т.е. синхронного двигателя с постоянными магнитами) также может использоваться асинхронный индукционный двигатель, при этом магниты заменяются на короткозамкнутый ротор (ротор с «беличьей клеткой»). С помощью индукции от статора двигателя в короткозамкнутом роторе генерируется ток.

С другой стороны, двигатель 20 также может быть реактивного типа или индукционного типа или комбинации типов.

Статор 22 двигателя установлен вокруг наружного ротора 6a охватывающим образом, при этом в данном случае он расположен в корпусе 2 машины 1.

Тем самым смазку двигателя 20 и роторов 6a, 6b можно осуществлять вместе, так как они расположены в одном корпусе 2 и, следовательно, не изолированы друг от друга.

Работа машины 1 является очень простой и выглядит следующим образом.

Во время работы машины 1 статор 22 двигателя будет известным образом приводить в движение ротор 21 двигателя и тем самым приводить в движение наружный ротор 6a.

Наружный ротор 6a будет способствовать приведению в движение внутреннего ротора 6b, и при вращении наружного ротора 6a также будет вращаться вентилятор 12.

Благодаря работе вентилятора 12 газ будет всасываться через впускное отверстие 3. Этот газ будет поступать в камеру 8 сжатия между роторами 6a, 6b.

Так как вентилятор 12 будет обеспечивать активную подачу или поток газа, степень заполнения камеры 8 сжатия будет увеличиваться.

Кроме того, газ, когда он всасывается через впускное отверстие 3, будет течь мимо ротора 21 двигателя и статора 22 двигателя. Тем самым газ будет способен обеспечить активное охлаждение двигателя 20.

Благодаря вращению камера 8 сжатия перемещается к выпускному отверстию 4, и в то же время она будет уменьшаться в объеме, чтобы тем самым обеспечить сжатие газа.

Сжатый газ затем может выходить из машины 1 через выпускное отверстие 4.

Не исключено, что во время сжатия жидкость будет впрыскиваться в машину 1.

Эта жидкость может представлять собой как воду, так и синтетическое или несинтетическое масло.

На фиг. 3 иллюстрируется альтернативный вариант осуществления вентилятора 12, который здесь представляет собой осевой вентилятор 12.

В данном случае дополнительная часть 13 является не цилиндрической, а, скорее, конической. Однако это не является обязательным. Осевой вентилятор 12 встроен в ориентированный радиально внутрь воротник 19.

На фиг. 4 показаны радиальный вентилятор 12 с фиг. 1 в комбинации с дополнительным осевым вентилятором 12a, которые расположены последовательно друг с другом.

В данном случае дополнительный осевой вентилятор 12a расположен перед радиальным вентилятором 12, если смотреть в направлении потока всасываемого воздуха. Конечно, также возможно, чтобы радиальный вентилятор 12 был расположен перед дополнительным осевым вентилятором 12a.

Дополнительный осевой вентилятор 12a установлен вокруг дополнительной части 13.

На фиг. 5 иллюстрируется другая вариация, в которой вентилятор 12 представляет собой смешанный осевой-радиальный вентилятор 12, при этом лопасти 15 имеют как осевую часть, так и радиальную часть.

Работа вентилятора 12 в вариантах осуществления на фиг. 3-5 аналогична работе варианта осуществления на фиг. 1-2.

Настоящее изобретение не ограничивается каким-либо образом вариантами осуществления, описываемыми в качестве примера и иллюстрируемыми на чертежах, и цилиндрическая симметричная объемная машина в соответствии с изобретением может быть реализована в любых формах и размерах, не выходя за пределы объема изобретения.

1. Цилиндрическая симметричная объемная машина (1), содержащая корпус (2) с двумя взаимодействующими роторами (6a, 6b) в нем, а именно: наружный ротор (6a), установленный с возможностью вращения в корпусе (2), и внутренний ротор (6b), установленный с возможностью вращения в наружном роторе (6a), при этом между роторами (6a, 6b) расположена камера (8) сжатия, перемещаемая при вращении роторов (6a, 6b) от стороны (9a) впуска роторов (6a, 6b) к стороне (9b) выпуска роторов (6a, 6b), отличающаяся тем, что сторона (9a) впуска наружного ротора (6a) имеет вентилятор (12), чтобы подавать воздух в камеру (8) сжатия.

2. Цилиндрическая симметричная объемная машина по п. 1, отличающаяся тем, что наружный ротор (6a) имеет дополнительную часть (13) на его стороне (9a) впуска, в которую встроен вентилятор (12) и которая прикреплена к наружному ротору (6a).

3. Цилиндрическая симметричная объемная машина по п. 2, отличающаяся тем, что наружный ротор (6a) установлен с возможностью вращения в корпусе (2) с помощью подшипника (17), установленного на упомянутой дополнительной части (13).

4. Цилиндрическая симметричная объемная машина по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что вентилятор (12) представляет собой радиальный вентилятор (12).

5. Цилиндрическая симметричная объемная машина по п. 4, отличающаяся тем, что дополнительный осевой вентилятор (12a) обеспечен последовательно с упомянутым радиальным вентилятором (12).

6. Цилиндрическая симметричная объемная машина по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что вентилятор (12) представляет собой осевой вентилятор (12).

7. Цилиндрическая симметричная объемная машина по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что вентилятор (12) представляет собой смешанный осевой-радиальный вентилятор (12), при этом лопасти (15) имеют как осевую часть, так и радиальную часть.

8. Цилиндрическая симметричная объемная машина по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что вентилятор (12) содержит множество лопастей (15), высота которых уменьшается в осевом направлении от внутренней стороны к наружной стороне в радиальном направлении.

9. Цилиндрическая симметричная объемная машина по любому из пп. 1-8, отличающаяся тем, что внутренний ротор (6b) и наружный ротор (6a) имеют коническую форму.

10. Цилиндрическая симметричная объемная машина по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что машина (1) имеет электрический двигатель (20) с ротором (21) двигателя и статором (22) двигателя для приведения в движение внутреннего и наружного роторов (6a, 6b), при этом электрический двигатель (20) установлен вокруг наружного ротора (6a) и при этом статор (22) двигателя выполнен с возможностью непосредственного приведения в движение наружного ротора (6a).

11. Цилиндрическая симметричная объемная машина по п. 10, отличающаяся тем, что наружный ротор (6a) служит в качестве ротора (21) двигателя.

12. Цилиндрическая симметричная объемная машина по п. 11, отличающаяся тем, что электрический двигатель (20) имеет постоянные магниты (23), встроенные в наружный ротор (6a).