Роторная винтовая машина

Устройство для сжатия/расширения газообразных и многофазных сред. Содержит корпус и два ротора, формирующих порции среды между винтовыми поверхностями и корпусом. Для повышения КПД устройства, снижения прерывистости подачи среды, понижения уровня шума, вибрации и пульсации давления предложена иная геометрическая форма винтовых поверхностей.

Устройство предназначено для сжатия газообразных или многофазных сред (смеси газообразной среды и жидкости) и может быть использовано в различных отраслях промышленности, где требуются создание давления. Возможно применение устройства для откачивания среды из изолированного объема, т.е. для создания вакуума - в качестве вакуумного насоса. Кроме того, устройство является обратимым и может быть использовано для преобразования энергии сжатой среды в механическую энергию - в качестве экспандера (детандера).

Большая часть применяемых в настоящее время в технике винтовых машин основана на конструкции Лисхольма, например, [1 - Амосов П.Е. и др., Винтовые компрессорные машины, Справочник. Машиностроение, Ленинград, 1977, с.67-68]. Устройство имеет винтовые роторы с выпуклыми зубьями для ведущего ротора и вогнутыми впадинами для ведомого ротора. Число зубьев ведущего ротора - четыре, а ведомого - шесть. Профили резьбы в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, - сложные, асимметричные, длина винтовой поверхности ведущего ротора - от 0,75 до 0,86 витков (от 270° до 310°). Устройство подает перекачиваемый газ отдельными порциями, причем порции формируются винтовыми поверхностями роторов, цилиндрическими и торцевыми поверхностями корпуса.

Значительное влияние на КПД и другие характеристики винтовой машины оказывает профиль винтовых поверхностей.

В техническом решении, являющемся наиболее близким к заявляемому (прототипом) «Роторный компрессор (варианты)» [2 - Патент RU 32212 U1 от 10.09.2003, F04C 18/08, авторы Круглов Н.В. и др.] предложен роторный компрессор, содержащий корпус с образованной цилиндрическими поверхностями рабочей камерой и размещенную в ней пару роторов, профили зубьев которых содержат участки кривых в параметрическом виде относительно осей X, Y в прямоугольной системе координат:

эпициклоиды:

окружности:

удлиненной эпициклоиды:

а профили впадин содержат участки кривых

удлиненной эпициклоиды:

окружности:

эпициклоиды,

Недостатками данного устройства являются прерывистость подачи газа, шум, вибрации, пульсации давления.

Задачами заявляемого технического решения является устранение указанных недостатков и повышение КПД устройства.

Решение указанных задач обеспечивается тем, что заявляемое устройство содержит два ротора с разными числами заходов винтовой поверхности n₁ и n₂. причем n₁ >n₂, винтовые поверхности роторов являются сопряженными.

Отличительные признаки заявляемого устройства от прототипа заключаются в том, что ротор с большим числом заходов в сечении плоскостью, проходящей через ось ротора, имеет профиль

где z - координата вдоль оси ротора, - расстояние до оси ротора, Р_Z - ход винтовой поверхности ротора, a_w - расстояние между параллельными осями роторов, R₁ внешний радиус винтовых поверхностей ротора с большим числом заходов, R₂ - внешние радиус винтовых поверхностей ротора с меньшим числом заходов, а величина А определяет зазор между винтовыми поверхностями. Также числа заходов винтовых поверхностей роторов связаны соотношением n ₂=n₁-1, радиусы R₁, и R₂ подчиняется соотношениям:

Значение величины зависит от технологии обработки винтовых поверхностей, конструктивных особенностей устройства и рабочей температуры и составляет 0,01÷0,2 мм.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существующим признакам заявляемого изобретения, следовательно, оно соответствует критерию «новизна».

Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемой на фиг 1 и 2.

На фиг.1 представлены сопряженные винтовые поверхности роторов. Изображение получено с помощью компьютерной твердотельной модели. В качестве примера выбраны числа заходов n₁=3 и n ₂=2, поэтому, согласно соотношениям (2), внешний радиус трехзаходной винтовой поверхности составляет 60% от межосевого расстояния a_w: R₁=0,6а_w.

На фиг.2 приведен осевой профиль винтовой поверхности ротора с большим числом заходов, т.е. сечение плоскостью, проходящей через оси обоих роторов. Ось ротора с большим числом заходов на фиг.2 расположена внизу, а ось ротора с меньшим числом заходов - вверху, межосевое расстояние обозначено a_w. Профиль винтовой поверхности с меньшим числом заходов на

фиг.2 не показан. Внешний радиус R₂ винтовой поверхности ротора с меньшим числом заходов практически равен расстоянию от его оси до дна винтовой впадины ротора с большим числом заходов (различие обусловлено зазорами в зацеплении и составляет 10÷50 мкм). Профиль винтовой поверхности с большим числом заходов описывают функцией в прямоугольной системе координат в виде зависимости (1) z(), при этом ось z совпадает с осью ротора, ось направлена по радиусу, причем начало отсчета выбрано так, чтобы выполнялось соотношение z(a_w-R₂)=0.

Поскольку винтовые поверхности роторов являются сопряженными, т.е. представляют собой два косозубых зубчатых колеса, профиль винтовой поверхности с меньшим числом заходов может быть опредлен известными методами теории зубчатых зацеплений; указанные методы приведены, например, в [3 - Литвин Ф.Л. Теория зубчатых зацеплений. - М.: Наука, 1968. - 584 с.]. При этом для расчетов теоретического зацепления полагают величину =0, а при расчетах реального зацепления, как указано выше, =0,01÷0,2 мм.

Работа заявляемого устройства происходит следующим образом. Роторы, расположенные в цилиндрических расточках корпуса, образуют замкнутые винтовые полости с перекачиваемой средой. При вращении роторов в противоположные стороны указанные полости перемещаются в осевом направлении. Когда объем полости уменьшается, например, за счет прижатия ее к торцу корпуса, происходит повышение давления перекачиваемой среды.

Следовательно, заявляемое устройство обладает по сравнению с прототипом иной геометрической формой винтовых поверхностей роторов.

Таким образом, предлагаемая роторная винтовая машина, благодаря совокупности существенных признаков, изложенных в формуле, обеспечивает высокий КПД, меньшую прерывистость подачи среды, меньший уровень шума и вибрации, пониженный уровень пульсации давления.

Сравнение существенных признаков предложенного и известных решений дает основание считать, что предложенное техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Амосов П.Е. и др., Винтовые компрессорные машины, Справочник. Машиностроение, Ленинград, 1977, с.67-68.

2. Патент RU 32212 U1 от 10.09.2003, F04C 18/08, авторы Круглов Н.В, Анохин В.А., Анохин В.В., Круглов Д.Н.

3. Литвин Ф.Л. Теория зубчатых зацеплений. - М.: Наука, 1968. - 584 с.

1. Роторная винтовая машина для сжатия/расширения газообразных и многофазных сред, содержащая два ротора с разными числами заходов винтовой поверхности n₁ и n₂, причем n ₁>n₂, винтовые поверхности роторов являются сопряженными, отличающаяся тем, что ротор с большим числом заходов в сечении плоскостью, проходящей через ось ротора, имеет профиль

где z - координата вдоль оси ротора; - расстояние до оси ротора; Р_Z - ход винтовой поверхности ротора с большим числом заходов; а_w - расстояние между параллельными осями роторов; R₁ - внешний радиус винтовых поверхностей ротора с большим числом заходов; R₂ - внешний радиус винтовых поверхностей ротора с меньшим числом заходов, а величина определяет зазор между винтовыми поверхностями.

2. Роторная винтовая машина по п.1, отличающаяся тем, что числа заходов винтовых поверхностей роторов связаны соотношением n ₂=n₁-1, радиус R₁ подчиняется соотношению , а радиус R₂ - соотношению .