CZ15406U1 - Rotační stroj s oběžnými dvojkřídly, zejména pro expanzní pohonné jednotky a kompresory - Google Patents

Description

Rotační stroj s oběžnými dvojkřídly, zejména pro expanzní pohonné jednotky a kompresory

Oblast techniky

Technické řešení se týká rotačního stroje s oběžnými dvojkřídly, zejména pro expanzní pohonné 5 jednotky a kompresory, který je využitelný i pro oblast čerpací techniky a jiných pracovních strojů.

Dosavadní stav technikv

Z amerického patentového dokumentu US 1940384 Arnold Zóller je znám rotační kompresor, který pracuje s oběžnými dvojkřídly, respektive s rovinnými šoupátky. Tato rovinná šoupátka se ío při otáčení pohybují nucené ve vodicích drážkách excentricky uloženého rotoru a jsou vedena na nich upevněnými třecími kameny. Vzájemným spojením protilehlých šoupátek do jednoho dvojkřídla je zamezeno narůstání odstředivých sil působících na křídlo a tím zvyšování třecí práce mezi křídlem a statorovou oběžnou plochou. Účinnost plnění zde popisovaného kompresoru je velmi vysoká a dosahuje 75 až 95 %. Mechanická účinnost v důsledku třecí práce je nízká a po15 hybuje se mezi 35 až 65 %. Tento kompresor pracující jako dmychadlo je vhodný pro práci s vysokými otáčkami a křivka plnění až do 6000 otáček/min. vykazuje lineární průběh. Dříve se tento kompresor, případně ve funkci dmychadla, používal k přeplňování motorů závodních automobilů.

Podstatnou nevýhodou tohoto provedení kompresoru je značná třecí práce, která vzniká při rychlém nuceném posouvání křídel po excentrickém bubnu a po stěně statoru při otáčení, což vede k rychlému opotřebení jeho součástí.

Celá řada dalších technických řešení se později zabývá vyřešením těchto tribologických problémů výše uvedeného stroje různými alternativními konstrukcemi umožňujícími realizovat nucený pohyb dvojkřídel umístěných ve vnitřním prostoru rotoru s cílem snížit třecí práci a dosáhnout jejich kruhové oběžné dráhy.

Například v patentovém dokumentu JP 5644489 je dvojkřídlo vedeno v postranních drážkách, čímž ale při vzrůstajících otáčkách rostou odstředivé síly a současně zvyšují třecí práci. V tomto řešení je navíc optimální implementace pouze podle jednoho dvojkřídla podobně, jako v dalším známém řešení podle rakouského patentového dokumentu AT 920009.

V dalších dokumentech US 3001482, DE-PS 433963 a US 3294454 jsou křídla vedena opět v postranních drážkách, což vyvolává značné třecí odpory při otáčení. U patentového dokumentu US 2070662 je pohyb volně vložených křídel vynucen excentricky uloženým unášečem rotoru.

Řešení podle patentového dokumentu FR-A 1091637 charakterizuje křídla, kterájsou přitlačována na oběžnou plochu pružinou, což opět vede při vyšších otáčkách ke zvýšené třecí práci.

Cílem technického řešení je především odstranit výše uvedené nedostatky dosavadních řešení spočívající zejména ve vytváření nežádoucích třecích sil vznikajících ve styčných místech konců křídel a oběžné plochy statoru a vytvořit takové otočné uložení dvojkřídel, které by bylo konstrukčně jednoduché a které by eliminovalo třecí práci mezi koncovými částmi dvojkřídel a oběžnou plochou statoru a také snižovalo třecí práci mezi dvojkřídly a rotorem na minimální hodnotu i při vysokých otáčkách a dále pak vytvořit možnost implementace většího množství dvojkřídel do nového konstrukčního řešení rotačního stroje s oběžnými dvojkřídly.

Podstata technického řešení

Shora uvedené nedostatky ve velké míře odstraňuje a cíl technického řešení splňuje rotační stroj s oběžnými dvojkřídly, zejména pro expanzní pohonné jednotky a kompresory, sestávající ze statorové a rotorové části, kde statorová skříň je tvořena sestavou jednotlivě k sobě připevněných

-1 CZ 15406 Ul deskovitých modulů obsahujících ve svých vývrtech rotační část s alespoň dvěma dvojkřídly lopatkového tvaru a nosnou hřídel, podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že na nosné hřídeli procházející po celé stavební délce statorové skříně jsou vytvořeny alespoň dvě dvojice excentrů, na nichž jsou otočně uložena alespoň dvě dvojkřídla, která jsou v oboustran5 ném kluzném styku s unášecími lištami propojujícími dvojici unášecích prstenců uložených ve dvojici ložisek prstenců, přičemž jeden z unášecích prstenců je opatřen pastorkem s vnějším ozubením, které je ve stálém záběru s vnějším ozubením vnitřního předlohového kola, které je uloženo na předlohové hřídeli uložené prostřednictvím dvojice předlohových ložisek v krajním deskovitém modulu předlohové hřídele a která je na svém vnějším konci opatřena vnějším předlo lohovým kolem s vnějším ozubením, které je ve stálém záběru v převodovém poměru 1 : 2 s vnějším ozubením vnějšího ozubeného kola nosné hřídele a přičemž nosná hřídel je na opačném svém konci opatřena vnějším kolem sekundárního výstupního momentu.

Výhody provedení rotačního stroje podle technického řešení lze spatřovat především v efektivní eliminaci třecích sil, které u dosavadních provedení vznikají ve styčných místech konců volně uložených křídel se styčnou statorovou plochou pracovního prostoru, kde vlivem odstředivých sil dochází zejména při vyšších otáčkách rotoru ke značné třecí práci a v extrémních případech i ke strojní havárii. Stabilní zavěšení jednotlivých dvojkřídel na nosné hřídeli v popsaném technickém řešení zajišťuje konstantní vzdálenost koncové části dvojkřídla od vnitřní pracovní plochy statorové skříně v jakémkoli režimu, což umožňuje využívat stroj v oblasti vyšších otáček spolu s prodloužením jeho životnosti. Podstatnou další výhodou tohoto stroje je plynulý průtok pracovního média v jednom směru, což umožňuje řazení několika strojů za sebou k dosažení vícenásobné expanze či vícenásobné komprese pracovního média. Další využití tohoto rotačního stroje leží v oblasti průmyslových vývěv a rotačních čerpadel, popřípadě modifikovaných spalovacích motorů či tepelných strojů typu Stirling.

Přehled obrázků na výkresech

Na připojených výkresech je pro bližší objasnění technického řešení znázorněno příkladné provedení rotačního stroje a jeho základní konstrukční prvky a kde obr. 1 představuje rotační stroj v podélném řezu B-B v sestaveném stavu. Obr. 2 představuje v pohledu A-A uspořádání rotačního stroje se dvěma dvojkřídly v okamžité základní konfiguraci. Na obr. 3 je v pohledu E a v pohledu

F znázorněno provedení dvojice prstenců rotační části stroje s unášecími lištami a na obr. 4 je znázorněna rotační část stroje s unášecími prstenci a unášecími lištami v axonometrickém pohledu. Obr. 5 a obr. 6 představuje příkladné provedení dvojkřídel a jejich ojničních ok pro rotační stroj se dvěma dvojkřídly. Na obr. 7 je znázorněno v podélném řezu B'-B' alternativní provedení rotačního stroje uzpůsobeného pro uložení osmi dvojkřídel a obr. 8 představuje v pohledu A'-A' aplikační provedení rotačního stroje s konfigurací kanálů pro funkci expanzní pohonné jednotky s využitím rotačního stroje s osmi dvojkřídly a na obr. 9 je znázorněno v pohledu A-A provedení rotačního stroje s osmi dvojkřídly a s konfigurací kanálů pro funkci kompresoru. Na obr. 10 je v částečném řezu pracovní částí stroje znázorněna aplikace s expanzní pohonnou jednotkou pro využití nízkopotenciálního tepla z geotermálního systému a na obr. 11 je v částečném řezu pracovní částí stroje znázorněna aplikace rotačního stroje pro využití nízkopotenciálního tepla ze sluneční energie.

Pro účely popisu funkce rotačního stroje podle technického řešení je na obr. 12 znázorněna okamžitá konfigurace dvojkřídel ve vývrtu v pracovním středovém modulu statorové skříně v pohledu A-A. Obr. 13 představuje grafické odvození konchoidální křivky pohybu koncového bodu osy dvojkřídla při otáčení s vyznačenou porovnávací kružnicí a na obr. 14 je znázorněna samostatná konchoidální křivka spolu s matematickými veličinami dosazenými v parametrické rovnici. Příklad provedení technického řešení

Na obr. 1 je v podélném řezu znázorněno příkladné provedení rotačního stroje podle technického řešení uspořádaného pro dvě dvojkřídla, kde je patrná statorová skříň I, která je vytvořena z jed-2CZ 15406 Ul notlivých k sobě připevněných deskovitých modulů a kde dvojice deskovitých krajních modulů

1.1, 1.2 statorovou skříň i axiálně uzavírá a je v nich prostřednictvím dvojice ložisek 4.5, 4,6 nosné hřídele uložena nosná hřídel 4 s osou ο₂. Na nosné hřídeli 4 je vytvořena první středová dvojice excentrů 4.2 ležících na ose 03 pro druhé dvojkřídlo 3.1 uložené pomocí dvojice 3.4 oj5 ničních ok druhého dvojkřídla 3.1 a druhá dvojice 4.1 excentrů uložená na ose oj pro první dvojkřídlo 3 uložené pomocí dvojice 3.3 ojničních ok prvního dvojkřídla 3. Mezi dvojicí krajních modulů l.L 1.2 je umístěna dvojice prstencových modulů 1.3, 1,4 a pracovní středový modul

1.5. Ve dvojici prstencových modulů 1,3, 1.4 je uložena na dvojici prstencových ložisek 5.2, 5.3 dvojice unášecích prstenců 5, 5.1, které jsou vzájemně propojeny unášecími lištami 6, které jsou oboustranně v kluzném styku s každou koncovou plochou dvojice dvojkřídel 3, 3.1. Na unášecím prstenci 5.1 je vytvořen pastorek 8, který je opatřen vnějším ozubením a který je ve stálém záběru s vnějším ozubením vnitřního předlohového kola ]_, které je uloženo na předlohové hřídeli 7,1 uložené prostřednictvím dvojice 7.2 předlohových ložisek v krajním deskovitém modulu 1,2. Předlohová hřídel 7.1 je na svém vnějším konci opatřena vnějším předlohovým kolem 7.3 s vněj15 ším ozubením, které je ve stálém záběru v převodovém poměru 1 : 2 s vnějším ozubením vnějšího ozubeného kola 4.3 nosné hřídele 4 a nosná hřídel 4 je na opačném konci opatřena vnějším kolem 4,4 sekundárního výstupního momentu. Pro obr. 2 je vyznačen směr pohledu A-A.

Obr. 2 představuje v pohledu A-A rotační část 2 a okamžitou základní polohu dvojice dvojkřídel 3, 3.1 v pracovním prostoru 1.6 pracovního středového modulu 1.5 s vyznačeným směrem s otá20 čení rotační části 2 a vyznačeným řezem B-B pro obr. 1.

Na obr. 3 je v pohledu F patrné uspořádání unášecích lišt 6 na unášecím prstenci 5 a v pohledu E je znázorněno provedení unášecího prstence 5.1 na straně přivrácené do pracovního prostoru 1,6. Mezi pohledem F a pohledem E je v řezu znázorněno provedení unášecích prstenců 5, 5.1 a jejich uložení na ložiskách 5.2, 5.3 prstenců.

Obr. 4 znázorňuje uspořádání unášecích prstenců 5, 5.1 a provedení unášecích lišt 6 v axonometrickém průmětu, mezi nimiž jsou patrné vodicí mezery dvojkřídel.

Obr. 5 a obr. 6 představují detailní provedení dvojkřídel 3, 3.1, kde na obr. 5 je patrné první dvojkřídlo 3 s úložnou ojnici 3.3 prvního křídla a na obr. 6 je znázorněno detailní provedení druhého dvojkřídla 3.1 s úložnou ojnici 3.4 druhého dvojkřídla.

Na obr. 7 je v podélném řezu B'-B' znázorněno příkladné provedení rotačního stroje s nosnou hřídelí 4,7 uzpůsobenou pro uložení osmi dvojkřídel v pracovním středovém modulu 1.5.1. Současně je zde vyznačen pohled A'-A' pro obr. 8 a pohled A-A pro obr. 9.

Obr. 8 a obr. 9 představují technickým řešením předurčené aplikace rotačního stroje s osmi dvojkřídly, kde na obr. 8 je znázorněno uspořádání pro využití stroje jako expanzní pohonné jednotky se vstupním kanálem V, hlavním výstupním kanálem V.l a pomocným výstupním kanálem V.2 a kde je též vyznačen řez B'-B' pro obr. 7 a na obr. 9 je znázorněno uspořádání pro využití stroje ve funkci kompresoru se vstupním kanálem V.3 kompresoru a výstupním kanálem V.4 kompresoru.

Na obr. 10 je znázorněn rotační stroj s osmi dvojkřídly zařazený jako expanzní pohonná jednotka využívající nízkopotenciální tepelnou energii vřídla 9, kde je patrný uzavřený oběh 11 pracovního média a chladič 10 geotermálního pracovního média.

Obr. 11 představuje rotační stroj s osmi dvojkřídly zařazený jako expanzní pohonná jednotka využívající sluneční energii získávanou prostřednictvím soustavy fokusátorů 12 slunečního záření v uzavřeném oběhu 11.1 pracovního média s chladičem 10,1 slunečního pracovního média.

Obr. 12 znázorňuje okamžitou konfiguraci dvojice dvojkřídel 3, 3.1, kde první dvojkřídlo 3 se nachází ve výchozí pozici M,N a kde body M,N jsou průsečíky osy o prvního dvojkřídla 3 s křivkou kch konchoidy a křivkou kj< porovnávací kružnice. Ve všech ostatních pozicích, například i v pozici pootočení o 45° ve směru s otáčení do polohy MŤJ' zůstává průsečík pootočené osy ď

-3 CZ 15406 Ul prvního dvojkřídla 3 na křivce kgh konchoidy, avšak křivku kk porovnávací kružnice již nesleduje. Současně se stejným způsobem dostane druhé dvoikřídlo3.1 do polohy M,N.

Obr. 13 znázorňuje geometrické odvození tvaru pracovního prostoru 1.5.2 vytvořeného v pracovním středovém modulu 1.5 statorové skříně 1, kde obrysová křivka kgh konchoidy znázorňuje jeho konchoidální tvar a kde je patrná křivka kk porovnávací kružnice se středem v bodě A ležícím na ose O| a o průměru d/2, která ukazuje rozdíl mezi jeho skutečným tvarem odpovídajícím křivce kcj, konchoidy a porovnávací kružnicí kk o průměru d = MN, což současně odpovídá délce dvojkřídla. Současně je zde vyznačena řídicí kružnice kj- křivky kgh konchoidy se středem v bodě B ležícím na ose 02 nosné hřídele 4. Výchozí poloha dvojkřídla představuje jednak délku d, která současně odpovídá úseku Μ N na jeho ose p a současně limitní průměr křivky kgh konchoidy o shodném průměru, jako je délka d, kde d = délka dvojkřídla = průměr křivky kk porovnávací kružnice = průměru křivky kgh konchoidy ve výchozí poloze dvojkřídla s koncovými body M,N. Řídicí kružnice k_£ křivky kgh konchoidy má průměr e, přičemž 2e značí délku maximálního vysunutí dvojkřídla. Bod P značí průsečík všech os dvojkřídel ve všech pozicích a leží na osepj.

Na obr. 14 je samostatně znázorněna konchoidální křivka kgh, jejíž parametrická rovnice v polárních souřadnicích P (p, φ) je p = e · cos φ +/-1/2 d , kde p značí vzdálenost bodu na křivce kgh konchoidy od pólu P, (j) značí okamžitý úhel natočení osy p dvojkřídla, přičemž je pro tento okamžitý případ φ = 45°.

P značí počátek polární soustavy souřadnic (p, φ) konců osy o dvojkřídla, které se pohybuje po křivce kgh konchoidy. Osy všech dvojkřídel v každém možném úhlu pootočení prochází vždy bodem P, zvaným pól.

Funkci stroje podle technického řešení lze dokumentovat s pomocí obr. 1, obr. 2 a obr. 12, kde při otáčení symetrického dvojkřídla 3 z výchozí polohy Μ, N ve směru s otáčení dochází k vy25 chylování středu dvojkřídla 3 po řídicí kružnici k, konchoidy v závislosti na odpovídajícím pootočení excentrů 4,1 vytvořeného na nosné hřídeli 4, čímž dochází k vysouvání dvojkřídla 3 z rotoru a zpět tak, že koncové body MN' osy o dvojkřídla 3 opisují vždy exaktně křivku kgh konchoidy identickou s konchoidální křivkou vytvořenou v pracovním středovém modulu 1.5 statorové skříně 1. V důsledku excentrického uložení rotoru pak rozděluje dvojice dvojkřídel 3, 3.1 pracovní prostor 1.5.2 na čtyři komory plynule měnící svůj objem při otáčení, kde jejich objem se nejprve zvětšuje ve smyslu expanze a po dosažení dolní úvratě odpovídající maximálnímu objemu komory se objem komor zmenšuje ve smyslu komprese. Při opakovaném otáčení rotační části 2 dochází k nepřetržitému získávání expanzní práce z energetického média pro případ využití jako expanzní pohonné jednotky a nebo k získávání komprimovaného média pro případ využití ve funkci kompresoru.

Claims (5)

1. Rotační stroj s oběžnými dvojkřídly, zejména pro expanzní pohonné jednotky a kompresory, sestávající ze statorové skříně (1) a rotační části (

2), kde statorová skříň (1) je tvořena sestavou jednotlivě k sobě připevněných deskovitých modulů obsahujících ve svých vývrtech ro40 tační část (2) s alespoň dvěma dvojkřídly (

3, 3.1) lopatkového tvaru a nosnou hřídel (

4), vyznačující se tím, že na nosné hřídeli (4) procházející po celé stavební délce statorové skříně (1) jsou vytvořeny alespoň dvě dvojice excentrů (4.1, 4.2), na nichž jsou otočně uložena alespoň dvě dvojkřídla (3, 3.1), která jsou v oboustranném kluzném styku s unášecími lištami (6) propojujícími dvojici unášecích prstenců (5, 5.1) uložených ve dvojici ložisek (5.2, 5.3) prstenců,

45 přičemž jeden z unášecích prstenců (5.1) je opatřen pastorkem (8) s vnějším ozubením, které je

-4CZ 15406 Ul ve stálém záběru s vnějším ozubením vnitřního předlohového kola (7), které je uloženo na předlohové hřídeli (7.1) uložené prostřednictvím dvojice předlohových ložisek (7.2, 7.3) v krajním deskovitém modulu (1.2) předlohové hřídele a která je na svém vnějším konci opatřena vnějším předlohovým kolem (7.4) s vnějším ozubením, které je ve stálém záběru v převodovém poměru

5 1 : 2 s vnějším ozubením vnějšího ozubeného kola (4.3) nosné hřídele (4) a přičemž nosná hřídel (4) je na opačném svém konci opatřena vnějším kolem (4.4) výstupního momentu.