CZ9341U1 - Vícestupňový rotační kompresor s oběžnými křídly - Google Patents

Description

Vícestupňový rotační kompresor s oběžnými křídly

Oblast techniky

Technické řešení se týká vícestupňového rotačního kompresoru s oběžnými křídly, který je vhodný zejména pro přeplňování spalovacích motorů vznětových a zážehových včetně motorů vznětových dvoudobých, je však použitelné i pro další průmyslové využití ve vzduchových, chladících a jiných systémech s požadavkem na získávání komprimovaného vzduchu nebo jiného média.

Dosavadní stav techniky

Je známa celá řada rotačních kompresorů a dmychadel jak pro průmyslové využití u vzduchových soustrojí, tak i pro využití u přeplňovaných spalovacích motorů jak v provedení turbokompresor s pohonem využívajícím energii výstupních plynů, tak i v provedení s pohonem mechanickým. Použití turbokompresoru pro zážehový motor je obtížnější, než je tomu u motoru vznětového, neboť výfukové plyny zážehového motoru dosahují podstatně vyšších teplot oproti vznětovému a je potřeba s těmito vyššími teplotami počítat zejména při volbě výrobní technologie a volbě použitých materiálů. Dále existuje problematika související s požadavkem na velký rozsah otáček spalovacího motoru, která je řešena kontinuálním spojením turbokompresoru s motorem, kde turbokompresor musí být opatřen přetlakovým ventilem, který odvádí při vysokých otáčkách použitý vzduch do výfukového potrubí a při nízkých otáčkách se naopak vzduchu nedostává, čímž je značně redukována možnost přeplňování.

Z uvedených důvodů se objevují systémy přeplňování pomocí mechanicky poháněných dmychadel nebo kompresorů pracujících na výtlačném principu. Typickým představitelem dmychadla používaného k uvedeným účelům je Rootsovo dmychadlo, typickými představiteli kompresorů objemově pracujících na výtlačném principu s vnitřní kompresí vzduchu jsou kompresory pístové, šroubové, křídlové a mimo jiné i spirálový kompresor označený jako G-kompresor.

Rootsovo dmychadlo pracuje na principu čerpadla, což znamená, že vzduch je dopravován do sacího prostoru bez vnitřní komprese a tento systém patří k nejrozšířenějším mechanicky poháněným strojům používaným k přeplňování motorů.

Nevýhodou tohoto systému je tendence k přehřívání vbrzdné fázi motoru a je potřeba k odstranění tohoto jevu zařazení přetlakového ventilu. Další nevýhodou Rootsova dmychadla je problém přeplňování při chodu motoru nezatíženého, což lze vyřešit instalací vypínací spojky, avšak vzhledem k nízké účinnosti systému se jeví toto opatření jako nákladné, objevující se např. u zařízení Eaton kompressor s chlazením komprimovaného vzduchu v přídavném chladícím oběhu.

Spirálový G-kompresor je technologicky náročný na výrobu a volbu materiálu, vyznačuje se častou poruchovostí a zaujímá značný zastavěný prostor.

Pístové kompresory se vyznačují pulsačním přerušovaným chodem pístů doprovázeným poměrně velkou hlučností a vysokou energetickou náročností a jsou ve své funkčnosti omezeny limitními otáčkami.

Křídlové rotační kompresory používané k přeplňování spalovacích motorů lze v zásadě rozdělit na typy s křídly vloženými volně do rotační části, kde je vykazována značná ztráta vyvozovaná třením koncových částí křídel na orbitále a na typy s křídly pevně spojenými se středovou hřídelí a poháněnými excentricky uloženým rotorem, u nichž se regulace provádí posouváním uzavírací hrany nasávacího prostoru.

Nevýhodou těchto typů je jednak značná provozní hlučnost a nerovnoměrnost chodu křídel způsobená změnou jejich pracovního radiusu během jedné otáčky, což je příčinou nižšího účinku a nižší životnosti zařízení.

-1 CZ 9341 U1

Společným průvodním znakem všech shora uvedených dmychadel a kompresorů s mechanickým pohonem je, že jsou zpravidla konstruovány jako jednostupňové ave značném počtu provedení bez chlazení komprimovaného vzduchu, přičemž tato provedení i jako jednostupňová zaujímají značný zastavěný prostor při jejich umístění na motoru.

Účelem předkládaného technického řešení je vyřešení problematiky kompresoru jedno i vícestupňového s využitím rotačního stroje s oběžnými křídly podle užitného vzoru CZ 8760 U, ve kterém je popsán rotační stroj mnohostranného využití, jehož hlavní předností je bezpulsační kontinuální chod daný konstrukcí rotační části umožňující navíc aplikaci bezdotykového těsnění oběžných křídel na orbitále i jejich axiálních plochách.

ío Podstata technického řešení

Shora uvedené nevýhody ve velké míře odstraňuje a požadovaný účel ve velké míře splňuje vícestupňový rotační kompresor s oběžnými křídly, sestávající z alespoň dvou vzájemně spojených kompresních stupňů integrovaných do společné statorové skříně a/nebo jednotlivě do vzájemně propojených samostatných statorových skříní, ve kterých jsou vytvořeny vnitřní válcové pracovní prostory obsahující rotační části s oběžnými křídly volně uloženými na centrální ose vnitřního válcového pracovního prostoru a které jsou unášeny excentricky vzhledem k centrální ose uloženými unašeči, přičemž alespoň jedna rotační část je napojena na společnou pohonnou jednotku a/nebo jsou rotační části samostatně poháněny nezávislými pohonnými jednotkami podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že každý sousední vnitřní válcový pracovní prostor společné statorové skříně a/nebo samostatných statorových skříní je vzájemně spojen spojovacími kanály, přičemž jednotlivé rotační části jsou spřaženy společným převodem s pevně stanovenými převodovými poměry a společnou pohonnou jednotkou a/nebo jsou jednotlivé rotační části samostatně poháněny nezávislými pohonnými jednotkami opatřenými společnou regulací.

Spojovací kanály jsou opatřeny mezistupňovými chladícími jednotkami a/nebo je výstupní část posledního kompresního stupně alternativně opatřena hlavní chladící jednotkou.

Vnitřní válcové pracovní prostory jsou axiálně rozšířeny, ve kterých je uloženo na společné hřídeli více rotačních částí vzájemně objemově oddělených a opatřených diferencovanými vstupními částmi kompresního stupně a diferencovanými výstupními částmi kompresního stupně.

Výhody takto provedeného vícestupňového rotačního kompresoru s oběžnými křídly podle technického řešení spočívají především ve snadné regulaci výkonu, který je možno plynule odebírat v jakémkoliv režimu otáček. Zařízení není nutno opatřovat přetlakovými ventily v cestě pracovního média, je schopno pracovat i při velmi vysokých otáčkách v nízké hlukové hladině s vysokou účinností. Vzhledem k možnosti uplatnění bezdotykového těsnění jak na orbitále statorových skříní, tak i v místě axiálního styku dochází k minimalizaci třecích ztrát stroje a tlakových ztrát dopravovaného či komprimovaného média. Zařízení dovoluje jednoduchou konstrukci a instalaci chladících systémů, umožňujících efektivnější chlazení média na delší dráze s nižší energetickou bilancí. Konstrukce vícestupňového kompresoru je vysoce variabilní umožňující libovolné uspořádání jednotlivých statorových skříní nebo uspořádání ve skříni společné s možností jejich kombinací pro široké spektrum využití. Navíc lze do jednoho vnitřního válcového pracovního prostoru na společnou hřídel uložit více rotačních částí samostatně objemově pracujících spřažených se společnou pohonnou jednotkou, což přináší příznivější regulační možnosti a aplikace zejména u tlakových rozvodů, přičemž lze takto axiálně zvětšenou šířkou vnitřního válcového prostoru svíce rotačními částmi odstranit nepříznivé průtokové hodnoty média, zvláště při jeho vysokých rychlostech proudění. Současně lze na společné hřídeli takto vytvořit vícestupňový kompresor s odděleně pracujícími kompresorovými stupni stejných nebo rozdílných parametrů.

-2CZ 9341 U1

Přehled obrázků na výkresech

Na připojených výkresech je znázorněno na obr. 1 příkladné provedení vícestupňového rotačního kompresoru s oběžnými křídly podle technického řešení s kompresními stupni integrovanými do společné statorové skříně, na obr. 2 je uveden příklad provedení s kompresními stupni oddělený5 mi a uspořádanými v samostatných statorových skříních a na obr. 3 je znázorněno alternativní provedení vnitřního válcového pracovního prostoru axiálně rozšířeného, který obsahuje více rotačních částí na společné ose.

Obr. 4 představuje příklad aplikace dvoustupňového provedení kompresoru podle technického řešení pro přeplňování zážehového spalovacího motoru a obr. 5 představuje příkladnou aplikaci ío třístupňového kompresoru pro přeplňování dvoudobého vznětového motoru se spodním vyplachováním.

Příklad provedení technického řešení

Na obr. 1 jsou v řezu znázorněny kompresorové stupně vícestupňového rotačního kompresoru s oběžnými křídly podle technického řešení, jejichž vnitřní válcové pracovní plochy 1, Γ...1” jsou integrovány do společné statorové skříně 5, ve kterých jsou uloženy rotační části 4, 4'...4 s oběžnými křídly v provedení podle užitného vzoru CZ 8760 U, jejichž vlastnosti a technické parametry splňují požadavky kladené na tento typ zařízení včetně velmi širokých možností uplatnění a aplikací. Mezi každým sousedním vnitřním válcovým prostorem 1, Γ...1” jsou vytvořeny spojovací kanály 2, 2'.,.2ⁿ propojující jednotlivé kompresní stupně, v nichž jsou umístěny mezistupňové chladící jednotky 3, 3'...3 situované mezi výstupními částmi 7, 7'...7ⁿ předchozích kompresních stupňů a vstupními částmi 6, 6'...6ⁿ následujících kompresních stupňů. Alternativně lze umístit na výstupní část T_ posledního kompresního stupně hlavní chladící jednotku 3.1. Toto příkladné provedení se společnou statorovou skříní 5 je vhodné pro instalaci u přeplňovaných spalovacích motorů a všude tam, kde je sledován malý kompaktní zastavěný prostor.

Obr. 2 představuje v řezu alternativní provedení vícestupňového rotačního kompresoru, u kterého jsou vnitřní válcové pracovní prostory 1, Γ...Γ vytvořeny v samostatných statorových skříních 5', 5''...5ⁿ, vzájemně propojených spojovacími kanály 2, 2'...2ⁿ, které mohou být tvořeny např. potrubím s možností zvolení jeho délky a tvarování podle podmínek a požadavků a toto provedení je vhodné např. pro rozvod tlakového média ve větších prostorách, přičemž možnost volby délky spojovacích kanálů 2, 2'...2 ovlivňuje chladící efekt a možnost libovolného umístění mezistupňových chladících jednotek 3, 3'...3ⁿ.

Na obr. 3 je ve schematickém axonometrickém průmětu znázorněno alternativní provedení axiálně rozšířeného vnitřního válcového prostoru I se třemi vnitřně uloženými rotačními částmi

4 - nezakresleny, které jsou objemově odděleny a které jsou opatřeny diferencovanými vstupními částmi 6.1, 6.2, 6.3 kompresního stupně a diferencovanými výstupními částmi 7.1, 7.2, 7.3 kompresního stupně. Takovéto provedení kompresního stupně je s výhodou použitelné při požadavcích na přesnější regulaci tlakového vzduchu ajeho optimálnější charakteristiku proudění včetně možností jeho větveného rozvodu a nebo konstrukci více kompresních stupňů na společné hřídeli.

Obr. 4 představuje aplikaci technického řešení s využitím dvou kompresních stupňů s rotačními částmi 4, £ integrovanými ve společné statorové skříni 5 s mezistupňovou chladící jednotkou 3 umístěnou ve spojovacím kanálu 2 za výstupní částí 7 prvního kompresního stupně, který je mechanicky poháněn společnou pohonnou jednotkou 8.1 od zážehového spalovacího motoru 8 a kde je druhý stupeň spřažen pomocí společného převodu s pevně stanoveným převodovým poměrem. Výstupní část 7 druhého kompresního stupně je napojena na sací potrubí 9 zážehového spalovacího motoru.

-3CZ 9341 U1

Na obr. 5 je znázorněna aplikace technického řešení s využitím třech kompresních stupňů s rotačními Částmi 4, 4\ 4 integrovanými do společné statorové skříně 5 pro přeplňování dvoudobého vznětového motoru 12 se spodním vyplachováním. Mezi sousedními kompresními stupni jsou vytvořeny spojovací kanály 2. 2' opatřené mezistupňovými chladícími jednotkami 3^

3', přičemž výstupní část T_ posledního kompresního stupně je napojena na plnící komoru 10 dvoudobého vznětového motoru 12 a plnící otvory U plnící komory. První stupeň je mechanicky poháněn společnou pohonnou jednotkou 12.1 spřaženou se společným přívodem s pevně stanovenými převodovými poměry pro všechny další kompresní stupně.

Vícestupňový rotační kompresor s oběžnými křídly podle technického řešení pracuje jako ío jednosměrně průtočný stroj, přičemž tok média není přerušován žádnými uzavíracími či regulačními orgány. Tato skutečnost dovoluje řazení libovolného počtu jednotlivých kompresních stupňů za sebou ve smyslu modulového konceptu s plynule na sebe navazujícím pracovním prostorem, který se kontinuálně zmenšuje za účelem požadovaného dosažení kompresních poměrů. Kontinuální jednosměrný tok média je základním předpokladem pro dosažení vysokých otáček a vysoké průtočnosti dopravovaného média a variabilní konstrukce stroje umožňuje vysoce účinné chlazení dopravovaného média na základě možnosti v podstatě libovolně zvolené délky spojovacích kanálů mezi jednotlivými kompresními stupni včetně libovolně zvoleného zařazení mezistupňových chladících jednotek a v neposlední řadě zařízení umožňuje svojí konstrukcí přiblížení k parametrům izotermicky pracujícího kompresoru.

Claims (3)

1. 20 NÁROKY NA OCHRANU

   1. Vícestupňový rotační kompresor s oběžnými křídly, sestávající z alespoň dvou vzájemně spojených kompresních stupňů integrovaných do společné statorové skříně a/nebo jednotlivě do vzájemně propojených samostatných statorových skříní, ve kterých jsou vytvořeny vnitřní válcové pracovní prostory obsahující rotační části s oběžnými křídly volně uloženými na

   25 centrální ose vnitřního válcového pracovního prostoru a které jsou unášeny excentricky vzhledem k centrální ose uloženými unašeči, přičemž alespoň jedna rotační část je napojena na společnou pohonnou jednotku a/nebo jsou rotační části samostatně poháněny nezávislými pohonnými jednotkami, vyznačující se tím, že každý sousední vnitřní válcový pracovní prostor (1, Γ...1) společné statorové skříně (5) a/nebo samostatných statorových skříní

   30 (5*, 5...5) je vzájemně spojen spojovacími kanály (2, 2'...2“), přičemž jednotlivé rotační části (4,

   4'...4) jsou spřaženy společným převodem s pevně stanovenými převodovými poměry a společnou pohonnou jednotkou a/nebo jsou jednotlivé rotační části (4, 4'...4) opatřeny samostatnými nezávislými pohonnými jednotkami opatřenými společnou regulací.
2. 2. V ícestupňový rotační kompresor s oběžnými křídly podle nároku 1, vyznačující se

   35 t í m, že spojovací kanály (2, 2'...2) jsou opatřeny mezistupňovými chladícími jednotkami (3,
3. 3'...3) a/nebo je výstupní část (7ⁿ) posledního kompresního stupně alternativně opatřena hlavní chladící j ednotkou (3.1).

   3. Vícestupňový rotační kompresor s oběžnými křídly podle nároků la2, vyznačující se tím, že vnitřní válcové pracovní prostory (1, Γ...Γ) jsou axiálně rozšířeny pro uspořádání

   40 více rotačních částí (4) vzájemně objemově oddělených, uložených na společné hřídeli a opatřených diferencovanými vstupními částmi (6.1, 6.2, 6.3) kompresního stupně a diferencovanými výstupními částmi (7.1, 7.2, 7.3) kompresního stupně.