Роторно-поршневая машина объемного действия

Предлагаемая полезная модель позволяет: снизить требования к технологии изготовления роторов и к чистоте рабочей среды, повысить степень герметизации рабочих камер, упростить ее сборку и ремонт за счет изготовления внешнего ротора сборным, состоящим из взаимозаменяемых деталей; повысить эффективности ее работы за счет увеличения относительного рабочего объема камер роторов и изменения характера трения в точках контакта роторов (переход от трения скольжения к трению качения) и увеличению площади пятна контакта.

Полезная модель относится к роторным машинам и может быть использована в качестве насоса в нефтяной, газовой или химической промышленности, а также в качестве компрессора, двигателя внутреннего сгорания или расширительной машины.

Известна роторная машина с внутренним зацеплением роторов, имеющая в цилиндрическом круглом корпусе вращающийся наружный ротор, сидящий на диске центрального вала, который продолжается с одной или с обеих сторон диска с равномерно распределенными вокруг камерами, внутренняя поверхность которых выгнута точно по цилиндру, радиус которого равен двойному эксцентриситету между внутренним ротором и наружным ротором. (Патент DE 556181, 1932 г.)

Недостатками известной машины являются:

- чрезмерная сложность конструкции, затрудняющая разборку и сборку машины;

- зацепление между роторами не оптимально - значительная часть крутящего момента будет затрачиваться на преодоление трения из-за того, что радиус вставок внешнего ротора параметризован и равен удвоенному эксцентриситету;

- маленький, по сравнению с габаритным объемом, рабочий объем из-за параметризации радиуса вставок внешнего ротора приравненного к удвоенному эксцентриситету, так как при разных значениях числа вершин наилучшая компактность достигается при разных соотношениях между радиусом вставок внешнего ротора и эксцентриситета.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению является роторно-поршневая машина объемного действия, с заключенным в корпусе внешним ротором с профилированными выемками и ротором с профилированными вершинами, которые

контактируют внутренними гранями внешнего ротора и гранями внутреннего ротора (Патент DE 3432915, по кл. F01С 1/10, 1987 г.)

В известной конструкции внешний и внутренний роторы совершают простое вращательное движение каждый вокруг своей неподвижной оси.

Недостатками известной конструкции являются:

- сложность сборки и ремонта конструкции, т.к. необходима замена всего внешнего ротора в случае износа его внутренних граней;

- наличие паразитного объема в рабочих камерах (разница между выпуклой кривой ротора и наружным радиусом внешнего ротора) уменьшает рабочий объем, т.к. в имеющихся паразитных объемах (например, в роторной машине как компрессоре) уже сжатый воздух транспортируется назад к всасывающей стороне машины;

- наличие протяженной цилиндрической щели, сообщающейся с рабочими камерами, вызывает значительные утечки.

высокие требования к точности изготовления профилированных поверхностей внутреннего и внешнего роторов и требования соответствующей минимизации зазоров в подшипниках;

- точечный характер контакта между роторами затрудняет решение задачи уплотнения радиальных зазоров между роторами и уменьшения потерь из-за протечек

- высокие требования к чистоте рабочей среды - присутствие мелких твердых частиц приводит к быстрому износу профилированных поверхностей, снижению эффективности машины и может привести к заклиниванию и выходу из строя.

Задачами, решаемыми предлагаемой полезной моделью, являются:

создание конструкции позволяющей, снизить требования к технологии изготовления роторов и к чистоте рабочей среды,

повысить степень герметизации рабочих камер,

упростить ее сборку и ремонт за счет изготовления внешнего ротора сборным, состоящим из взаимозаменяемых деталей;

повысить эффективности ее работы за счет увеличения относительного рабочего объема камер роторов и изменения характера трения в точках контакта роторов (переход от трения скольжения к трению качения) и увеличению площади пятна контакта.

Технический результат в предлагаемой полезной модели достигают созданием роторно-поршневой машина объемного действия, включающей составной корпус, установленные в нем с эксцентриситетом внешний и внутренний роторы с профилированными поверхностями, причем отношение количества вершин внутреннего ротора к количеству вершин внешнего ротора равно (n-1)/n, в которой, согласно полезной модели, контур профилированной поверхности внешнего ротора состоит из чередующихся участков, одними из которых являются дуги окружностей с равными радиусами, центры которых расположены на одинаковых расстояниях от оси вращения внешнего ротора через равные углы между ними, а другие участки представляют собой огибающие кривые, производящими для которых являются соответствующие криволинейные участки внутреннего ротора, а дуги окружностей являются профилирующими для внутреннего ротора, и координаты каждой точки профилированной поверхности внутреннего ротора определяют по формулам:

где:

- угловой параметр, для которого определяется координата,

е- расстояние между осями вращения роторов,

n - число вершин внешнего ротора,

r - радиус профилирующей окружности, причем r=k×е, где

R - расстояние от оси вращения внешнего ротора до оси профилирующей окружности, причем R=(n-1)×e+K, где rК2×r

Выполнение вставки в виде круговых сегментов, имеющих форму прямых круговых цилиндров позволяет изготавливать вставки из дорогих и/или сложно обрабатываемых материалов, например, из эластомеров, керамики, композитных материалов - следовательно, упростить изготовление и повысить степень герметизации камер.

Размещение вставок во внешнем роторе с возможностью вращения вокруг своих осей позволяет снизить потери на трение между роторами и, соответственно, износ контактирующих поверхностей, следовательно, повышает ресурс машины и ее экономичность.

Изготовление поверхностного слоя цилиндрической вставки из эластомерных материалов позволяет:

- понизить технологические требования к конструкции компенсировать погрешности изготовления;

- принципиальную возможность работы роторно-поршневой машины на рабочих средах с мелкими механическими примесями. Например, при использовании РПМ в качестве водяного насоса, можно допустить наличие в перекачиваемой воде наличие мелких частиц песка, которые в зоне контакта будут вдавливаться в эластичный поверхностный слой цилиндрической вставки и выбрасываться на выходе из зоны контакта;

- повысить степень герметизации рабочих камер, за счет существенного увеличения площади пятна контакта.

Предлагаемая конструкция позволяет повысить эффективность и срок службы роторно-поршневой машины объемного действия, улучшить потребительские качества.

Проведенные патентные исследования показали, что не известны технические решения с указанной совокупностью существенных признаков,

в аналогичных конструкциях роторных машин, т.е. предлагаемое решение, соответствует критерию «новизна».

Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения.

Предлагаемая роторно-поршневая машина объемного типа поясняется нижеследующим описанием конструкции и чертежами, где

На фиг.1 - показан продольный разрез роторно-поршневой машины объемного действия с внешним ротором, профилированная поверхность которого выполнена из чередующихся участков (n=4);

На фиг.2 - показан разрез А-А фиг.1.

На фиг.3 - показан поперечный разрез роторно-поршневой машины объемного действия, у которой каждый сегмент окружности профилированной поверхности внешнего ротора образован частью цилиндрической поверхности вставки, установленной во внешнем роторе;

На фиг.4 - показан поперечный разрез роторно-поршневой машины, у которой вставки во внешнем роторе выполнены в виде прямых круговых цилиндров;

На фиг.5 - показан поперечный разрез роторно-поршневой машины, у которой вставки во внешнем роторе размещены с возможностью вращения вокруг своих осей, а наружный слой вставок выполнен из эластомерного материала.

Роторно-поршневая машина объемного действия, включающая составной корпус 1, установленные в нем вал 2 с внешним ротором 3 и с эксцентриситетом внутренний ротор 4 с профилированными поверхностями, системы подвода и отвода перекачиваемой среды 5, выполненные в передней крышке 5 (Фиг.1 и Фиг.2).

Корпус имеет крышки 6., в которых установлены внутренний 4 и внешний 3 роторы.

Внешний 3 и внутренний 4 роторы выполняют с профилированными поверхностями.

Внешний ротор 3 выполнен сборным: одной частью его является основание ротора, которое жестко закреплено на приводном валу, а второй частью является n одинаковых вставок.

Контур профилированной поверхности выполнен из чередующихся участков, одними из которых являются дуги окружностей 7, имеющие одинаковые радиусы, центры которых равномерно расположены на одинаковом расстоянии от оси вращения внешнего ротора, а другие участки 12 представляют собой огибающие кривые, производящими для которых являются соответствующие криволинейные участки внутреннего ротора, а сегменты окружностей 7 являются профилирующими для контура внутреннего ротора.

Профильные поверхности внешнего и внутреннего роторов образуют рабочие камеры переменного объема 8.

В предлагаемой роторно-поршневой машине объемного действия выполнение участков внешнего ротора по дугам окружностей 7, может быть различным и зависит от конкретных технологических условий.

Каждый элемент профилированной поверхности внешнего ротора 3, контур которого является дугой окружности 7 может быть образован частью цилиндрической поверхности вставки 9, установленной во внешнем роторе 3 (фиг.2 и фиг.3).

Вставки 9 могут быть выполнены в виде прямых круговых цилиндров (фиг.2 и фиг.4).

Вставки 9 могут быть размещены во внешнем роторе с возможностью вращения вокруг своих осей 10 (фиг.2, фиг.5).

В зависимости от технологических требований вставки могут быть выполнены с наружным слоем 11 из эластомерного материала.

Система подвода и отвода перекачиваемой среды 5 может быть выполнена в крышках 6 и/или в корпусе 1.

При относительно невысоких скоростях течения перекачиваемой среды, с целью минимизации потерь в виде утечек из тракта нагнетания в тракт всасывания, система расположена в крышках.

При скоростях потока, при которых гидравлические потери на поворотах существенно сказываются на эффективности машины, более оптимально радиальное распределение через корпус 1.

Работу роторно-поршневой машины объемного действия осуществляют следующим образом:

Включением двигателя (на черт. не показан) приводят во вращение вал 2 с внешним ротором 3. При вращении внешнего ротора 3, профилированная поверхность, которого жестко связана с внешним ротором 3, и находится в контакте с профилированной поверхностью внутреннего ротора 4, последний за счет этого вращается в ту же сторону, что и внешний ротор 3 соответственно, с угловой скоростью в (n-1)/n большей нагнетания. При этом объемы рабочих камер 8 последовательно изменяются.

В процессе работы каждая камера 8 циклично изменяет свой объем от минимального значения до максимального и обратно.

Системы подвода и отвода перекачиваемой среды организована таким образом, что обеспечивает сообщение камер 8 при уменьшении объема с трактом нагнетания, а при увеличении объема с трактом всасывания.

Таким образом, обеспечивается перекачка жидкости из тракта всасывания в тракт нагнетания.

Был изготовлен и опробован опытный образец предлагаемой роторно-поршневой машины объемного действия.

Конструкция имеет следующие параметры: профили роторов с числом вершин внешнего ротора 3 равным 4 (n=4), а число вершин внутреннего ротора 4 равно 3, внешний ротор имеет цилиндрические вставки 11 с поверхностным слоем 15 из эластомера (фиг.3); перекачиваемая жидкость - техническая вода, производительность - 45 м³/час, напор - 50 метров водяного столба, установленная мощность привода насоса - 3 кВт.

По своим характеристикам машина превосходит прототип:

- позволяет регулировать расход воды без падения напора путем изменения частоты вращения;

- имеет больший межремонтный ресурс;

- допускает наличие мелких механических примесей в перекачиваемой среде;

- технологически проста и имеет меньшие габариты, чем эксплуатируемые в настоящее время машины (например, многоступенчатые центробежные насосные установки).

1. Роторно-поршневая машина объемного действия, включающая составной корпус, установленные в нем с эксцентриситетом внешний и внутренний роторы с профилированными поверхностями, причем отношение количества вершин внутреннего ротора к количеству вершин внешнего ротора n равно (n-1)/n, отличающаяся тем, что контур профилированной поверхности внешнего ротора состоит из чередующихся участков, одними из которых являются дуги окружностей с равными радиусами, центры которых расположены на одинаковых расстояниях от оси вращения внешнего ротора через равные углы между ними, а другие участки представляют собой огибающие кривые, производящими для которых являются соответствующие криволинейные участки внутреннего ротора, а каждая дуга окружности является профилирующей для внутреннего ротора и координаты каждой точки контура профилированной поверхности внутреннего ротора определяют по формулам:

где у- угловой параметр, для которого определяется координата,

e - расстояние между осями вращения роторов,

n - число вершин внешнего ротора,

r - радиус профилирующей окружности, причем r=k·e, где ,

R - расстояние от оси вращения внешнего ротора до оси профилирующей окружности, причем R=(n-1)· e+K, где rK2·r

2. Роторно-поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что вставки выполнены в виде круговых сегментов, имеющих форму прямых круговых цилиндров.

3. Роторно-поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что вставки размещены во внешнем роторе с возможностью вращения вокруг своих осей.

4. Роторно-поршневая машина по п.1, отличающаяся тем, что наружный слой вставок выполнен из эластомерного материала.