Роторно-лопастная машина

Роторно-лопастная машина, относится к машине объемного типа, преобразующей энергию текучей среды в механическую энергию вращения выходного вала или наоборот, механическую энергию вращения входного вала в энергию текучей среды и предназначена для работы в режимах компрессора, мотора, тепловых машин в виде двигателей внутреннего и/или внешнего сгорания. В заявляемом устройстве, содержащем корпус, вал и ротор с лопастями, с целью преодоления недостатков аналогов лопасти выполнены поворотными в результате шарнирного соединения с ротором. Расчетами по известным практическим формулам доказано, что данная роторно-лопастная машина в сравнении с аналогами имеет меньшее удельное энергопотребление за счет меньших внутренних сил трения при взаимодействии деталей в процессе работы. Эффект снижения сил трения усиливается выполнением внутренней поверхности корпуса машины по форме прямого овального цилиндра, где ротор с лопастями делит внутренний объем корпуса на две части с образованием двух камер, что позволяет более равномерно распределить нагрузки в устройстве.

Заявляемая полезная модель относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и может найти применение при проектировании и производстве машин, преобразующих энергию, объемного типа, роторно-лопастного принципа действия.

Известен аналог - машина объемного типа, роторно-лопастной двигатель, преобразующий энергию текучей среды с высокой температурой и давлением, полученной за счет внутреннего сжигания топлива в механическую энергию вращения выходного вала устройства для совершения необходимой полезной работы. Основными деталями устройства являются неподвижный корпус, в котором размещены вращающиеся четыре рабочие лопасти, попарно закрепленные на двух соосных валах и агрегат преобразования вращений. Средняя скорость вращения лопастей за один период одинаковая, но мгновенная скорость движения каждой пары постоянно изменяется. За обеспечение такого типа движения отвечает агрегат преобразования вращений. Данная машина имеет высокую сложность конструкции, повышенную массивность деталей и в результате высокое удельное энергопотребление вследствие обстоятельств:

а) обязательное содержание в составе устройства дополнительного агрегата, который преобразует равномерное вращение вала в неравномерное вращение лопастей;

б) обязательное консольное исполнение рабочих нагружаемых лопастей, которые, однозначно, более массивны, чем так же нагруженная двухопорная конструкция. Если такую машину включить в режим компрессора, то недостатком будет низкая эффективность устройства из-за необходимости увеличения механической мощности на привод дополнительного агрегата-преобразователя вращений и на неизбежное превращение переменного механического напряжения в деталях в тепловую энергию, в данном случае, так же повышающее удельное энергопотребление машины (см. Гуськов Г.Г., «Необычные двигатели», М., «Знание», 1971, 64 стр.).

Известен, ротационный пластинчатый компрессор - машина объемного типа, выбранная в качестве ближайшего аналога, преобразующая механическую энергию движения деталей машины в изменение давления текучей среды для совершения необходимой полезной работы. Данное устройство наиболее близко по технической сущности к заявляемой полезной модели и содержит следующие взаимодействующие детали: неподвижный корпус, вращающиеся вал и ротор с выдвигающимися пластинами (лопастями). Здесь пластины под действием центробежных сил выдвигаются на периферию, прижимаются к внутренней поверхности корпуса и одним торцом скользят по ней. Вращающиеся детали образуют перемещающиеся переменные рабочие полости, поочередно совмещающиеся с впускным и выпускным окнами, пластины при этом совершают возвратно-поступательное движение в пазах ротора. Конструкции таких машин высокой производительности (с большой величиной хода пластин и/или с высокой окружной скоростью) имеют меньшие значения коэффициента полезного действия (см. МАШИНОСТРОЕНИЕ. ЭНЦИКЛОПЕДИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК. КОНСТРУИРОВАНИЕ МАШИН. ТОМ 12. Москва 1949, стр.541).

Существенным недостатком ротационных пластинчатых компрессоров является высокое удельное энергопотребление, или, если такую машину включить в режим мотора, то недостатком так же будет высокий энергетический расход из-за высоких потерь мощности на трение.

Техническим результатом, на решение которого направлено заявляемое устройство, является устранение перечисленных недостатков ближайшего аналога.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной роторно-лопастной машине, содержащей корпус, вал и ротор с лопастями, согласно полезной модели, лопасти выполнены поворотными, путем шарнирного соединения с ротором.

Кроме того, внутренняя поверхность корпуса выполнена по форме прямого овального цилиндра при этом ротор с лопастями делит внутренний объем корпуса на две части с образованием двух камер.

Лопасть, в заявляемом устройстве, за счет выполнения ее поворотной, путем шарнирного соединения с ротором, позволяет уменьшить потери мощности на трение. Поворотная лопасть имеет две точки опоры: первая - шарнирное соединение с ротором, вторая - внутренняя поверхность корпуса, что позволяет равномерно распределить рабочую нагрузку на лопасть, за счет чего она может быть выполнена менее мощной (массивной), а более легкая лопасть при работе, под действием центробежных сил, создает меньше трения.

Выполнение лопастей поворотными приводит также к уменьшению суммарных сил трения за цикл работы машины за счет уменьшенного усредненного радиуса траектории движения центра масс, в сравнении с ближайшим аналогом, при прочих равных условиях.

Уменьшению потерь мощности на трение в заявляемой полезной модели способствует и выполнение внутренней поверхности корпуса по форме прямого овального цилиндра, где ротор с лопастями устанавливается таким образом, что делит внутренний объем корпуса на две части с образованием двух камер. Двухкамерное исполнение заявляемого устройства обеспечивает более равномерное распределение энергии по машине, уменьшает эксцессы сил трения, которые являются существенной составляющей суммарных сил трения за цикл работы машины.

Таким образом, заявляемая полезная модель в сравнении с ближайшим аналогом имеет низкое энергопотребление за счет уменьшенных потерь мощности на трение.

Для сравнения эффективности работы машин ниже приведены расчеты по формулам практических известных методик. В расчетах предопределено, что машины имеют одинаковые параметры рабочих объемов и идентичные характеристики материалов деталей.

Коэффициенты трения взяты для условий применения смазки.

Результаты расчетов суммарных потерь на преодоление сил трения в устройствах заявляемой полезной модели и прототипа приведены в таблицах 1, 2 и 3.

Потери мощности на трение в системе лопасть - корпус (Nл-к):

Nл-к=S×n×Fн×Kтр, где

S - длина траектории конца лопасти, м;

n - частота вращения ротора, сек^-1;

Fн - сила, действующая по нормали к поверхности корпуса, Н;

Kтр - коэффициент трения.

Fн для случая с выдвигающимися лопастями равна:

Fн=m×(n×2×)²×R, где

m - масса лопастей, кг;

R - радиус траектории центра тяжести лопасти, м.

Fн для случая с поворотными лопастями равна:

Fн=m×(n×2×)²×R×(cos)/b, где

- угол поворота лопасти от исходного (прижатого к ротору) положения;

b - отношение длины лопасти к расстоянию от оси поворота до центра тяжести лопасти.

Среднее значение cos по всей траектории движения лопасти при изменении от 0 до 90° равно 0,6. Значение b для лопасти постоянной толщины равно 2.

В этом случае:

Fн=m×(n×2×)²×R×0,3

Следовательно, сила трения лопастей о корпус для конструкции с поворотными лопастями приблизительно в 3,3 раза меньше, чем для конструкции с выдвигающимися лопастями при прочих равных условиях.

В качестве примера в табл.1 приведены значения потерь на трение в системе лопасть - корпус для машин с выдвигающимися лопастями и с поворотными лопастями.

Масса одной лопасти для обеих машин принята 0,25 кг, количество лопастей - 4, длина траектории конца лопасти - 1,0 м, радиус траектории центра тяжести лопасти - 0,1 м, коэффициент трения 0,05.

Потери мощности от трения в системе ротор - лопасть для машины с выдвигающимися лопастями (Nр-л):

Nр-л=4×h×n×Fт×Kтр, где

h - эксцентриситет ротора относительно корпуса, м;

n - частота вращения ротора, сек^-1 ;

Fт - тангенциальная сила, действующая на лопасть, Н;

Kтр - коэффициент трения.

Fт=Fн×L/X, где

L - длина лопасти, м;

X - длина части лопасти, находящейся в пазу ротора, м.

Потери мощности от трения в системе ротор - лопасть для машины с поворотными лопастями (Nр-л):

Nр-л=2×/360°××d×n×Fт×Kтр, где

d - диаметр оси лопасти, м.

Fт=Fн

В качестве примера в табл.2 приведены значения потерь на трение в системе ротор - лопасть для машины с выдвигающимися лопастями с эксцентриситетом ротора относительно корпуса - 0,02 м при длине лопасти 0,09 м и средней части лопасти, находящийся в пазу ротора - 0,07 м и машины с поворотными лопастями с диаметром оси лопасти - 0,01 м.

Сравнение потерь мощности на трение в системе лопасть - корпус для машин с поворотными лопастями с корпусом по форме прямого овального цилиндра и с корпусом по форме прямого правильного цилиндра (Nл-к):

Nл-к=S×n×Fн×Kтр.

Для машины с корпусом по форме овального (о) цилиндра:

So=(D+D_max)/2×, где

D - диаметр ротора, м

D_max - поперечный размер рабочей части корпуса наибольшем сечении, м.

Fно=m×(n×2×)²×R×(cosо)/b.

Для машины с корпусом по форме правильного (п) цилиндра

Sп=(D+2×h)×,

Fнп=m×(n×2×)²×R×(cosп)/b.

В машине с корпусом по форме прямого цилиндра среднее отклонение лопасти в два раза больше, чем для машины с корпусом по форме овального цилиндра:

cosп/coso=0,6/0,3=2.

В качестве примера в табл.3 приведены значения потерь на трение в системе лопасть-корпус для машины с поворотными лопастями с корпусом по форме правильного цилиндра (h=0,02 м) и машины с поворотными лопастями с корпусом по форме овального цилиндра (Dmax=0,32 м), имеющими одинаковый удельный объем, при общих условиях: D=0,28 м, m=1 кг, Kтр=0,05.

Таблица 3.
Потери мощности на трение в системе лопасть-корпус для машин с поворотными лопастями с корпусом по форме правильного цилиндра и с корпусом по форме овального цилиндра.

Заявляемая роторно-лопастная машина объемного типа, преобразующая энергию текучей среды в механическую энергию вращения выходного вала или наоборот, механическую энергию вращения входного вала в энергию текучей среды представлена на чертежах: фиг.1 - машина с корпусом по форме прямого правильного цилиндра, где а) с лопастями загнутыми назад и б) с лопастями загнутыми вперед; фиг.2 - машина с корпусом по форме прямого овального цилиндра; фиг.3 - тепловая машина закрытой системы с корпусом по форме прямого овального цилиндра; фиг.4 - тепловая машина открытой системы с корпусом по форме прямого овального цилиндра.

Представленное на чертежах заявляемое устройство содержит неподвижный корпус 1, в котором размещены вращающиеся вал 2 и ротор 3 с поворотными лопастями 4, которые взаимодействуют с ротором 3 посредством шарнирного соединения 5, впускное окно 6 и выпускное окно 7. При вращении деталей машины заявляемого устройства осуществляется следующий рабочий цикл: под воздействием центробежных сил лопасти 4 поворачиваются до упора во внутреннюю поверхность корпуса 1, создавая перемещающуюся переменную рабочую полость.

Последовательное совмещение рабочей полости с впускным 6 и выпускным 7 окнами разрешает движение текучей среды от входа до выхода машины. При включении устройства в режим мотора происходит преобразование энергии текучей среды в механическую энергию вращения выходного конца вала 2 путем воздействия текучей среды на лопасти 4. При включении устройства в режим компрессора (насоса) происходит преобразование энергии механического вращения входного конца вала 2 в энергию движения текучей среды путем воздействия на нее лопастей 4.

На фиг.1 - машина с корпусом по форме прямого правильного цилиндра, где а) - лопасти загнуты назад и б) - лопасти загнуты вперед, варианты по техническим характеристикам идентичны и представлены как возможные схемы исполнения заявляемого устройства. Машина способна работать либо в режиме компрессора, либо в режиме мотора.

В режиме компрессора машина работает следующим образом: к устройству собранному в корпусе 1 механическая энергия вращения подводиться к валу 2, который приводит в соответствующее движение ротор 3 с лопастями 4. Под действием центробежных сил лопасти 4 поворачиваются до упора одним концом во внутреннюю поверхность корпуса 1, в тоже время, другой конец остается в шарнирном соединении 5 с ротором 3. При непрерывном вращении конец лопасти 4, прижатый центробежными силами к поверхности корпуса 1, непрерывно отслеживает конфигурацию цилиндра.

Таким образом, заданная траектория скольжения одного конца лопасти 4 при эксцентричном размещении вала 2 приводит к циклическому изменению угла поворота лопасти 4, а значит созданию перемещающихся переменных рабочих объемов. Направление движения этих объемов задается направлением вращения вала 2, а степень перемены их величины геометрическим значением эксцентричного размещения вала 2. Рабочий объем в стадии увеличения, проходя впускное окно 6, заполняется текучей средой. Далее, пройдя фазу своей максимальной величины, рабочий объем отсекается взаимосвязанной вслед идущей лопастью 4 от впускного окна 6 и за счет, так же взаимосвязанного перемещения в определенную фазу предыдущей лопасти 4, соединяется с выпускным окном 7. Рабочий объем проходит выпускное окно 7 в стадии своего уменьшения, то есть вытесняет текучую среду. Следовательно, текучая среда получает принудительное перемещение от впускного окна 6 до выпускного окна 7, механическая энергия вращения входного конца вала 2 преобразуется в энергию движения текучей среды путем воздействия на нее лопастей 4.

В режиме мотора машина работает при тех же взаимодействиях деталей, что в режиме компрессора, но в отличие от последнего, текучая среда под давлением заполняет рабочий объем через впускное окно 6 и воздействует на лопасти 4, вследствие чего, учитывая взаимодействие деталей машины, энергия текучей среды преобразуется в механическую энергию вращения вала 2.

На фиг.2 изображена заявляемая полезная модель - машина с корпусом по форме прямого овального цилиндра. Машина работает в тех же режимах и при тех же взаимодействиях деталей, что на фиг.1, но в отличии от нее, преобразует энергии в двух камерах общего корпуса 1, разделенных ротором 3 с лопастями 4. Каждая камера с впускными окнами 6 и выпускными окнами 7 способна работать как в режиме компрессора, так и в режиме мотора.

На фиг.3 изображен вариант осуществления заявляемой полезной модели в виде тепловой машины закрытой системы, которая работает следующим образом. Корпус 1 разделен ротором 3 с лопастями 4 на две камеры, большую 8 и малую 9 с целью оптимизации теплофизических параметров рабочего тела на входах и выходах агрегатов тепловой машины, которая в данном случае состоит из мотора и компрессора.

Большая камера 8 работает в режиме мотора, где преобразуется энергия сжатого нагретого воздуха (рабочего тела) в механическую энергию вращения вала 2 вследствие расширения воздуха в перемещающемся переменном рабочем объеме. Расширяясь, воздух совершает работу в моторе и поступает в герметичный холодильник, при этом уменьшается его температура и давление, энергетический потенциал рабочего тела переходит на низкий уровень. Часть работы, вследствие взаимодействия деталей машины в виде механической энергии вращения вала 2 передается на малую камеру (компрессор), в которой она преобразуется в энергию воздуха, повышая в основном, его давление. Другая часть работы может быть отдана в нагрузку через выходящий за пределы корпуса хвостовик вала 2. От малой камеры 9, работающей в режиме компрессора, рабочее тело под давлением поступает в герметичный нагреватель, где повышается его температура, энергетический потенциал воздуха переходит на полноценный высокий уровень. Из нагревателя воздух поступает в мотор, цикл замыкается, тепловая машина работает. Здесь осуществляется процесс преобразования тепловой энергии от внешних источников, подводимой к рабочему телу через нагреватель в механическую энергию выходного вала 2 тепловой машины.

На фиг.4 изображен вариант осуществления заявляемой полезной модели в виде тепловой машины открытой системы, которая работает следующим образом. Машина работает в тех же режимах и при тех же взаимодействиях деталей, что на фиг.3, но в отличии, вместо нагревателя имеет камеру сгорания топлива в воздухе (рабочем теле), при этом выпускное окно 7 большой камеры 8 мотора и впускное окно 6 малой камеры 9 компрессора сообщены с атмосферой. Например, в камере сгорания сжигается дизельное топливо и предает рабочему телу высокий энергетический потенциал, далее продукты горения с высокой температурой и давлением поступают в камеру мотора, где отрабатывают и выбрасываются в атмосферу. В камеру компрессора воздух поступает из атмосферы, где сжимается и под давлением вытесняется в камеру сгорания, цикл замыкается, тепловая машина работает. Здесь осуществляется процесс преобразования тепловой энергии от внутреннего горения топлива в рабочем теле (воздухе) в механическую энергию выходного вала тепловой машины.

1. Ротороно-лопастная машина, содержащая корпус, вал и ротор с лопастями, отличающаяся тем, что лопасти выполнены поворотными путем шарнирного соединения с ротором.

2. Ротороно-лопастная машина по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность корпуса выполнена по форме прямого овального цилиндра, при этом ротор с лопастями делит внутренний объем корпуса на две части с образованием двух камер.