EA014051B1

EA014051B1 - Установка объемного вытеснения

Info

Publication number: EA014051B1
Application number: EA200802121A
Authority: EA
Inventors: Владимир Иосифович Голубев
Original assignee: Владимир Иосифович Голубев
Priority date: 2006-04-10
Filing date: 2006-04-10
Publication date: 2010-08-30
Also published as: WO2007115389A1; EA200802121A1

Abstract

Изобретение используется в машиностроении для создания компактных установок объемного вытеснения с сжимаемыми и несжимаемыми рабочими телами. В установку входят в различной комбинации приводные устройства и машины объемного вытеснения (МОВО) роторного типа для использования в холодильных агрегатах, кондиционерах с COв качестве рабочего тела, гидравлических насосных станциях и т.п. Сущность изобретения: установка, состоящая из приводного устройства (в частности, электрического двигателя) соединена вращающимся приводным звеном (ротором) по крайней мере с одной MOB роторного типа. MOB выполнены с рабочим органом, содержащим 12-20 рабочих камер и совершающим сферическое движение по участку сферической поверхности корпуса. Предложено выполнить пространственную фиксацию приводного звена за счет шарнирной связи с рабочим органом в качестве сферической самоустанавливающейся опоры с газостатической разгрузкой (или гидростатической для гидравлических MOB). Это позволяет исключить прочные торцевые стенки приводного устройства и MOB, что уменьшает габарит и массу установки. Возможная реализация установки показана на примере холодильного агрегата для кондиционера с компрессорами первой и второй ступеней сжатия (CO) и приводного электрического двигателя.

Description

Область техники

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве базы для создания различных комбинированных установок, состоящих из приводного устройства (преимущественно в виде электрического двигателя), соединенного с машиной объемного вытеснения (МОВ) роторного типа, или с несколькими подобными машинами, например, двух гидравлических насосов, или компрессора и вакуумного насоса и т.д. Предполагается возможность обращенного выполнения установки, при котором МОВ выполнена в виде двигателя, а приводное устройство, например, в виде электрического генератора.

Предшествующий уровень техники

Широко известны установки объемного вытеснения, состоящие из использующего тот или иной вид энергии приводного устройства с вращающимся приводным звеном (ротором электрической машины, маховиком и т.д.), соединенным с МОВ [1]. Для подобных установок характерно выполнение приводного устройства и МОВ в виде самостоятельных (автономных) конструкций, имеющих собственные отдельные корпуса, что приводит к увеличению массы и габарита установки. Более компактны установки, с приводным устройством в виде электрического двигателя и роторной МОВ, выполненные, например, в виде герметичного холодильного агрегата [2], при этом приводное звено (ротор двигателя) установлено в двух прочных торцевых стенках корпуса МОВ, содержащей корпус, рабочие камеры и поршневые элементы в виде эксцентриков. Но наиболее заметны упомянутые недостатки известных установок объемного вытеснения, состоящих из нескольких приводных устройств и/или МОВ. В качестве типичного представителя компактной установки объемного вытеснения известна, например, установка объемного вытеснения [3] (прототип), состоящая из приводного устройства в виде электрического двигателя и двух роторных МОВ, размещенных в общем корпусе и соединенных с двух сторон с приводным звеном ротором электрического двигателя. При этом каждая МОВ содержит корпус, рабочие камеры и поршневые элементами в виде эксцентриков. Радиальными и осевыми опорами ротора электрической машины и поршневых элементов служат прочные торцевые стенки корпусов МОВ. Необходимость в четырех достаточно прочных (и соответственно тяжелых) торцевых стенках корпуса увеличивает массу и габарит установки. К тому же выполнение МОВ только с одним рабочим циклом за оборот поршневого элемента увеличивает пусковой момент приводного устройства (соответственно - пусковой ток и габарит электрического двигателя). Увеличивается также и неравномерность подачи рабочего тела. При обращенном выполнении установки велика неравномерность крутящего момента МОВ и пульсации тока электрического генератора. Наличие четырех разнесенных соосных цилиндрических подшипников (т.е. не самоустанавливающихся) приводит к появлению избыточных связей и, соответственно, к вероятности появления дополнительных механических потерь из-за технологических и эксплуатационных погрешностей. Раскрытие изобретения

Техническим результатом предлагаемого решения является минимизация массы и габарита установки объемного вытеснения. Дополнительно решается задача уменьшения пускового момента и неравномерности подачи рабочего тела, исключения действия неуравновешенных сил давления рабочего тела, уменьшения числа избыточных связей. Это приводит к уменьшению вибраций, увеличению надежности и долговечности устройства. Основой предлагаемого технического решения являются неочевидные свойства конструкции известного объемного устройства - Машины Голубева [4], позволяющие исключить частично или полностью несущие торцевые стенки, как корпуса МОВ, так и приводного устройства при его соединении с МОВ. Одновременно достигается уменьшение пускового момента и равномерность подачи за счет существенного (в 6-10 раз) увеличения числа рабочих циклов на оборот, исключение действия неуравновешенных сил давления рабочего тела, при этом сферическая форма кинематически взаимодействующих элементов позволяет уменьшить влияния избыточных связей.

Для достижения основного и дополнительных технических результатов в установке объемного вытеснения, состоящей, по крайней мере, из приводного устройства, (например, в виде электрического двигателя), соединенного с приводным звеном, по крайней мере с одной МОВ роторного типа, имеющей корпус, рабочие камеры и поршневые элементы, введены отличия, а именно - корпус МОВ снабжен участком сферической поверхности, поршневые элементы установлены в экваториальной области упомянутой сферической поверхности и размещены в меридиональных рабочих камерах, размещенных в рабочем органе, который сопряжен с участком сферической поверхности корпуса и установлен с возможностью сферического движения. При этом сферическое движение рабочего органа определено перемещением его геометрической полюсной оси по условной биконической поверхности вокруг геометрической полюсной оси участка сферической поверхности корпуса, а соединение приводного устройства с МОВ выполнено при помощи шарнирной связи приводного звена с рабочим органом МОВ. В этом случае рабочий орган одновременно выполняет также функцию пространственной фиксации приводного звена и может рассматриваться, как самоустанавливающаяся сферическая опора приводного звена, что и позволяет исключить, в частности, у прототипа (и в подобных установках) полностью или частично прочные торцевые стенки корпуса, воспринимающие радиальные и осевые силы приводного звена. Одновременно уменьшаются также и избыточные связи. Представленный функциональный признак может быть реализован с помощью различных вариантов технических решений в зависимости от конкретного назначения

- 1 014051 установки и ее конструктивных и технологических особенностей. Реализация этого функционального признака наиболее эффектна при выполнении установки с несколькими МОВ и/или приводными устройствами в различных комбинациях. Возможные варианты пространственной фиксации приводного звена, т.е. конкретного выполнения связи приводного звена с рабочим органом МОВ могут быть представлены в двух основных видах:

приводное звено, снабжено жестко установленным косым кривошипом, направленным по геометрической полюсной оси рабочего органа МОВ, при этом шарниры размещены в полюсных областях рабочего органа МОВ;

приводное звено снабжено жестко установленным косым кривошипом в виде косой (наклонной) шайбы с осью, направленной по геометрической полюсной оси участков сферической поверхности корпуса, а шарниры размещены в области центра сферического движения рабочего органа МОВ.

Частные варианты выполнения установки могут представлять комбинации упомянутых связей приводного звена (звеньев) с рабочим органом (органами) МОВ. При этом выбор варианта определяется функциональным назначением установки, а также конструктивными и технологическими предпочтениями изготовителя.

Один из возможных примеров реализации технического решения представлен в виде компрессорной установки кондиционера с СО₂ в качестве рабочего тела. При этом приводное устройство выполнено в виде электрического двигателя, размещенного между двумя МОВ, выполняющих функции компрессоров первой и второй ступеней сжатия с промежуточным охлаждением.

Краткое описание фигур чертежей

На фиг. 1 изображен продольный разрез (Б-Б) установки из приводного устройства в виде электрического двигателя, компрессора первой ступени сжатия, соединенного через промежуточный теплообменник (показан схематически) с компрессором второй ступени сжатия.

На фиг. 2 изображен поперечный разрез (А-А) МОВ (компрессора первой ступени сжатия) с фрагментами вида входных и выходных каналов. Компрессор второй ступени сжатия выполнен аналогично, но имеет меньшее поперечное сечение рабочих камер (т.е. меньший рабочий объем), а шарниры размещены в полюсных областях рабочего органа.

Варианты осуществления изобретения

Предлагаемый вариант установки содержит приводное устройство 1 (электрический двигатель) с приводным звеном 2 (ротором), соединенным с двумя конструктивно подобными МОВ - 3 и За. Каждая МОВ содержит корпус 4, рабочие камеры 5 (принятое число рабочих камер - 12) с входящими в них поршневыми элементами 6. Корпус 4 выполнен с участком сферической поверхности 7, а рабочие камеры 5 имеют меридиональную направленность и размещены в рабочем органе 8, сопряженном с корпусом 4 по участку сферической поверхности 7. Поршневые элементы 6 установлены на корпусе 4 в экваториальной области участка сферической поверхности 7 при помощи поршневых пальцев 9. Сферическое движение рабочего органа 8 определено перемещением его геометрической полюсной оси 10 по условной биконической поверхности (не показана) вокруг геометрической полюсной оси 11 участка сферической поверхности 7 корпуса 4 путем кинематического соединения рабочего органа 8 с приводным звеном 2. Представлены два варианта кинематического соединения. В первом варианте рабочий орган 8 компрессора первой ступени сжатия (МОВ 3) шарнирно соединен с приводным звеном 2 при помощи размещенного в центральной области корпуса 4 косого кривошипа 12 (наклонной шайбы, диска), жестко соединенного осью 13 с приводным звеном 2. Во втором варианте рабочий орган 8 компрессора второй ступени сжатия (МОВ За) шарнирно соединен с приводным звеном 2 при помощи проходящего через полюса рабочего органа косого кривошипа 14, жестко соединенного с приводным звеном 2. МОВ 3 и МОВ За снабжены размещенными в полюсных областях рабочего органа 8 противовесами 15. При необходимости, корректирующие противовесы могут быть установлены на приводном звене 2 (не показаны). Входные каналы 16, 16а и выходные каналы 17, 17а соответственно МОВ 3 и МОВ За размещены в корпусе 4 с учетом траекторий движения рабочих камер 5. Выходные каналы 17 компрессора первой ступени сжатия (МОВ 3) соединены входными каналами 16 компрессора второй ступени сжатия (МОВ За) через промежуточный кольцевой теплообменник 18 (показан схематически).

Условная разделительная плоскость 19 разделяет рассмотренные варианты выполнения кинематической связи рабочего органа 8 с приводным звеном 2 на две части. При других компоновочных вариантах установки эти части могут соединяться симметрично относительно друг друга или приводного устройства, причем МОВ могут быть размещены с одной стороны приводного устройства или между приводными устройствами. Установка объемного вытеснения в качестве холодильного агрегата кондиционера работает следующим образом. При подводе энергии к приводному устройству 1 (электрическому двигателю) вращается приводное звено 2 (ротор) и жестко установленные на нем ось 13 с косым кривошипом 12, а также косой кривошип 14. Соответственно в каждой МОВ геометрические полюсные оси 10 рабочих органов 8 описывают биконические поверхности вокруг геометрической полюсной оси 11 участков сферической поверхности 7 корпуса 4, а рабочие органы 8, шарнирно соединенные с косыми кривошипами 12 и 14 совершают характерное для МОВ типа Машины Голубева [4] сферическое движе

- 2 014051 ние, при котором рабочие камеры 5 описывают вытянутые в меридиональном направлении восьмерки, а поршневые элементы 6 отслеживают их движение. В процессе перемещения рабочие камеры 5 поочередно соединяются с входными каналами 16, 16а и выходными каналами 17, 17а. Детально механизм распределения рабочего тела в контексте решаемой задачи не рассматривается. Важно отметить, что для решения поставленной задачи существенно то, что одинаковые рабочие процессы (в частности процессы сжатия рабочего тела) происходят в размещенных диаметрально противоположных рабочих камерах 5, при этом рабочий орган 8 разгружен от сил давления рабочего тела и выполняет функцию сферической (самоустанавливающейся) опоры приводного звена 2. Иначе говоря, рабочий орган 8 может рассматриваться как сферическая опора с газостатической разгрузкой. Еще эффективнее играет роль опоры с гидростатической разгрузкой рабочий орган в гидравлических МОВ. Таким образом, приводное звено 2 становится пространственно определено в радиальном и осевом направлениях при минимально возможных избыточных связях. Возникающие в процессе сферического движения рабочего органа 8 центробежные силы уравновешиваются сколь угодно точно противовесами 15. В процессе работы МОВ 3 рабочее тело (в данном случае - СО₂) подается во входные каналы 16, сжимается и подается через выходные каналы 17 через кольцевой теплообменник 18 на входные каналы 16а. МОВ За, где и дожимается до заданного давления.

Промышленная применимость

Предлагаемое выполнение установки объемного вытеснения осуществимо на современном технологическом уровне. При этом достигается уменьшение габарита и массы установки;

уменьшение пускового момента (пускового тока);

уменьшение пульсации рабочего тела (крутящего момента); принципиальная возможность исключение механических вибраций.

Расширяется также конструктивная база, так как конструктор получает возможность проектировать компактные варианты установок объемного вытеснения различного функционального назначения на основе различных комбинаций приводов и МОВ с различными рабочими телами, сжимаемыми и несжимаемыми. Важно также отметить, что в качестве приводного устройства могут выступать различные источники крутящего момента, т.е. имеющие вращающееся приводное звено. В частности, наиболее эффектно выполнение установок объемного вытеснения с приводным устройством также на МОВ типа Машины Голубева [4], например обращенной установки в виде двух разнесенных электрогенераторов с гидравлическим двигателем между ними.

Источники информации:

[1] Механические вакуумные насосы. Е.С. Фролов, И.В. Автономова, В.И. Васильев и др. - М.: Машиностроение, 1989, стр. 88.

[2] Холодильные компрессоры. Справочник. Под ред. А.В. Быкова. - М.: Легкая и пищевая промышленность. 1981, стр. 160.

[3] Пат. США № 6171076 В1 от 9.01.2002.

[4] Евразийский патент № 003880 Объемное устройство Машина Голубева, опубл. 30.10.2003. (Заявка РСТ АО 01/75274, опубл. 11.10.2001).

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Установка объемного вытеснения, состоящая по крайней мере из одного приводного устройства, соединенного приводным звеном по крайней мере с одной машиной объемного вытеснения (МОВ) роторного типа, имеющей корпус, рабочие камеры и поршневые элементы, отличающаяся тем, что корпус МОВ снабжен участком сферической поверхности, поршневые элементы установлены в экваториальной области упомянутой сферической поверхности и размещены в меридиональных рабочих камерах, размещенных в рабочем органе, который сопряжен с участком сферической поверхности корпуса и установлен с возможностью сферического движения, определенного перемещением его геометрической полюсной оси по условной биконической поверхности вокруг геометрической полюсной оси участка сферической поверхности корпуса, при этом приводное звено в приводном устройстве установлено с использованием рабочего органа МОВ в качестве сферической опоры путем жесткой установки на приводном звене шарнирно связанного с рабочим органом косого кривошипа, направленного по геометрической оси рабочего органа.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что шарниры размещены в полюсных областях рабочего органа или в области центра участка сферической поверхности корпуса, в этом случае косой кривошип выполнен в виде косой (наклонной) шайбы с осью вращения, направленной по геометрической полюсной оси участков сферической поверхности корпуса.