HU212379B - Axiális működésű energiaátalakító gép, motor vagy kompresszor és/vagy szivattyú - Google Patents

Abstract

Axiális működésű energia-átalakító gép, motor vagy kompresszor és/vagy szivattyú, amelynek két tükörszimmetrikus forgórésze (1), ezeken átmenő és ezekhez rögzített tengelye (4), a forgórészen (1) kiképzett, harmonikus függvény által leírt, az állórészhez (2) tengely irányban csatlakozó hullámfelülete (11) a hullámfelületen (11) támaszkodó, az állórész (2) hornyaiban (10) elrendezett térelválasztó elemei (3), és a térelválasztó elemek (3) azonos oldalain az állórészben (2) elkészített belépő (5) és ezzel ellentétes oldalain kilépő (5/a) nyílásai vannak.

Description

A találmány tárgya axiális működésű energia-átalakító gép, motor vagy kompresszor és/vagy szivattyú.

Az elméletből és gyakorlatból energiaátalakítás céljára ismeretesek a térfogat-kiszorításon alapuló és a turbina elvén működő gépek.

A turbina elvén működő gépek előnye, hogy kevés számú mozgó elemünk van. Hátrányuk azonban, hogy hatásfokuk változik a terhelés függvényében, és alacsony fordulatszámon már nem tudnak nagy teljesítményt és nagy nyomatékot leadni.

A térfogat-kiszorításon alapuló gépek számos előnyük miatt igen széles körben elteijedtek. Hátrányuk azonban, hogy viszonylagos bonyolultságuk miatt nagy számú alkatrészből épülnek fel (kiegészítő és vezérlő egységek; a működési holtpontok elkerülése miatt több alternáló mozgást végző alkatrész, stb.). További hátrányuk, hogy nagy nyomásnál igen érzékenyek a tömítésre.

Mindezek alapján találmányunk célja egy olyan többfunkciós berendezés kialakítása volt, mely - elsősorban a fenti hátrányok megszüntetésével - megpróbálja egyesíteni a turbina és a térfogat-kiszorítás elvén működő gépek előnyeit. A célkitűzésünk szerinti gép tehát kevés számú alkatrészt tartalmaz, egyszerű a szerkezete, ezért kicsi a teljesítménytömege és egyszerű a szabályozhatósága, és egyben jó mechanikai hatásfoka van.

A találmány szerinti gép azon a felismerésen alapul, mely szerint az alkatrészek számát úgy tudjuk lecsökkenteni, ha a turbinákból ismert forgó egységet alkalmazzuk, mely felületén a működés során keletkező különböző nyomású tereket elválasztó határoló elemekkel érintkezik.

Találmányunk további felismerése volt, hogy a forgó elem felületén egy olyan speciális vezérpályát kell kialakítani, mely lehetővé teszi, hogy állandó fordulatszám esetén a minden elfordulási szöghöz tartozó relatív térfogatáramok konstansok legyenek, így a szögelfordulás minden esetben a bevezetett közeg mennyiségével arányosan alakuljon.

Találmányunk felismerése volt az is, hogy a forgó elem felületén megfelelően kialakított vezérpálya segítségével elkerülhető, hogy a működés közben holtpont alakuljon ki. így, mivel nincs szükség alternatív forgó alkatrész alkalmazására, az alkatrészek száma tovább csökkenthető.

Találmányunk egy másik felismerése szerint a működés közben keletkező holtpontok szüntethetők meg, ha a vezérpályán kialakított hullámok száma nagyobb a vezérpályával érintkező határoló elemek számánál. így egy időpontban elérhető, hogy minden határoló elem egyik oldalán szívó fázisú munkaütem, másik oldalán nyomó fázisú munkaütem valósuljon meg.

Találmányunk felismerése volt továbbá az is, hogy a forgó elem felületén megfelelően kialakított vezérpálya alkalmazásával minimálisra lehet csökkenteni a gép kiegyensúlyozottságát befolyásoló radiális és axiális terheléseket.

Találmányunk egy további felismerése volt, hogy a forgó elem felületén egy olyan vezérpályát kell kialakítani, melyet egy a forgórészből egy radiális tengelyirányú, a forgórész elfordulási szögének függvényében axiális irányban szinuszos hullámmozgás szerint elmozduló hengeres felület által kimetszett görbe felület határoz meg.

Találmányunk egy másik felismerése szerint a vezérpálya alakjának harmonikus görbének kell lennie, hogy a sík felülettel érintkező axiális irányú elválasztó elemek működés közben bekövetkező hirtelen irányváltása miatt ne keletkezzenek a szerkezetben lokális feszültségek és relatív gyorsulások.

Ismert térfogat-kiszorítás elvén működő axiális energia-átalakító gépek a tömítő orsós vagy tömítő orsó nélküli csavarszivattyú, mely a hajtásra fordított mechanikai energiát a benne lévő közeg nyomásának növelésére használja fel, ezáltal közegek szállítására alkalmas. A szállítás azáltal történik, hogy a menetárokban lévő folyadéktérfogat az orsók forgatása közben a kis nyomású térből a nagy nyomású térbe tengely irányban elhalad. Ezek a gépek csak viszkózus, jó kenő tulajdonságú közegek esetében használhatók. Ezekben a gépekben a különböző nyomású tereket elválasztó elemek nincsenek, ezért az ellennyomás hatására történő szabad visszaáramlást a közeg viszkozitása határozza meg. A különböző nyomású tereket egymástól térelválasztó elemmel elhatároló korábbi térfogat-kiszorítás elvén működő alternáló dugattyú nélküli gépek radiális működésűek, és bennük a közeg áramlása kerület-irányban történik. Ilyenek a már ismert csúszólapátos szivattyúk és kompresszorok, és a Knottrendszerű forgódugattyús gép (E J. Weber: Arbeitsmaschinen I—II.), amelyben a forgórész excentrikus ágyazású, a térfogat-kiszorítást végző elmozdulás sugárirányú és az eltérő nyomású tereket elválasztó elem az állórészhez támaszkodó, a forgórészhez rögzített csúszó lap, melynek sugárirányú mérete forgás közben változik. A Knott-rendszerű gépnél a be- és kilépőnyílás váltakozik, ezért rugós visszacsapó szeleppel van ellátva.

Ezen az alapon továbbfejlesztett gép többek között a DE 24 31 555 sz. szabadalom, melynek tengelyhez rögzített forgórésze gyűrű alakú, az állórész hullámfelületéhez csatlakozik. A forgó gyűrűben elmozduló, eltérő nyomású tereket elválasztó elemek sugárirányban mozognak, és belül hullámfelületen, kívül az állórész belső felületén kialakított íves felületen támaszkodnak. Ezek az íves felületek a forgó gyűrűvel nem érintkeznek, hanem ívük és a forgó gyűrű külső felülete között kialakult térben megy végbe a térfogat-kiszorítást végző térelválasztó elemek sugár-, és kerületirányú mozgása. Az íves felületek egy szakaszon a forgórészt érintik, az érintkező szakaszok átellenes, de a kerületet körbejárva azonos oldalain vannak a be-, illetve kiömlő nyílások. Az érintkező szakaszok szerepe a be-, illetve kilépőnyílások közötti tömítés. A tömítést a sugárirányú rés mérete adja meg, míg homlokfelületi tömítés a forgórészen nincsen. A fent említett szabadalom szerint szerkesztett gép az adott méretű rések alapján eredményesen alkalmazható viszkózus közegek (pl. olaj) esetében. Hasonló módon megvizsgálva a GB

HU 212 379 Β

862 663 sz. „forgódugattyús motor” című szabadalmat megállapítható, hogy a tengelyre rögzített forgórész elliptikus alakú, és az állórész hengeres belső hengeres furatának belső felületét két szakaszosan tömitő résszel érinti. Az eltérő nyomású tereket elválasztó és a térfogat-kiszorítást végző elemek elmozdulása radiális, illetve kerületi irányú. A térelválasztó elemek az állórészben kialakított horonyban sugárirányban mozdulnak el, a be-, és kiömlőnyílások az állórészben a térelválasztó elemek ellentétes oldalain vannak elhelyezve. A tömítőrések kialakítása az előző szabadalom szerinti gépéhez hasonló, ezért a gép térfogatvesztesége csak viszkózus közegek esetében és közepes nyomástartományig elfogadható.

A fent említett szabadalmak egyik közös jellemzője, hogy az egymástól eltérő alakú forgórészek térfogat-kiszorítást végző elmozdulása a forgórész felületén kialakított hullámok és/vagy a forgórész excentrikus ágyazása folytán sugárirányú, az említett elmozdulás az állórész többnyire hengeres furatában történik. A gépek biztos és jó hatásfokú üzemelésének fontos feltétele a forgó és álló részek között lévő tömítés jósága (a kopást is beleszámítva). A hivatkozott szabadalmak esetében a tömítést egy egyszer elkészített illesztés által adott rés biztosítja, mivel sugárirányú tömitő erő nem, vagy csak a forgórész több részre bontása esetén valósítható meg, ami további tömítendő felületeket és tömítési problémákat jelent, és növeli az alkatrészek meghibásodásának lehetőségét.

Bejelentésünk azon felismerése, hogy a térfogat-kiszorítást végző elmozdulás tengelyirányú, mindezeket a problémákat kiküszöböli, mivel tengelyirányban a tömitő erő kopás esetén is biztosítható. További újdonság a hivatkozott szabadalmakkal szemben, hogy a bejelentésünk szerinti gép a feladatot kevesebb számú alkatrésszel és a kiegyensúlyozott erők miatt kisebb gépméretekkei oldja meg. Az erők kiegyensúlyozását a két, egymással szemben elhelyezett forgórész biztosítja.

További eltérés és előny a hivatkozott szabadalmakkal szemben, hogy a bejelentésünk szerinti gépben a különböző nyomás alatt álló és a forgó-, valamint az állórész közötti periodikusan változó térfogatú terek között a forgórészben és az elválasztó elemekben elhelyezhető rugalmas és csúszó elemekből kombinált - tömítés a gép hatásfokát jelentősen növeli, így alkalmassá válik magas nyomás mellett is alacsony viszkozitású közegek (víz, gőz, levegő) esetében is gazdaságos üzemre.

A találmány tehát axiális működésű energia-átalakító gép, melynek házban tengely mentén elrendezett állórésze és forgórésze van, ahol az állórészben a tengelyhez radiális irányban csatlakozó hornyai, és a hornyok mentén elrendezett és a házból kivezetett átömlő nyílásai vannak, és a forgórészen kialakított vezétpálya van, és a hornyokban a tengellyel radiális irányban, a forgórésszel axiális irányban érintkező elválasztó elemek vannak.

A továbbiakban a találmányt megvalósítási példák kapcsán ábrák segítségével ismertetjük részletesen, ahol:

A találmányunk szerinti axiális működésű energiaátalakító gép kiviteli alakja az 1. ábrán, és annak A-A metszete a 2. ábrán látható.

A gépnek legalább kettő tükörszimmetrikus 1 forgórésze, amely központi furattal ellátott henger, amelynek egyik, a tengelyre merőleges határoló lapja síkfelület, ezzel ellentétes oldalán az 1 forgórész tengelyére merőleges tengelyű, sugár irányban az 1/a hengeres magig hatoló és a kerületen végig gördülő, a forgórész tengelyével megegyező irányban és a szögelfordulás függvényében szinuszos mozgást végző henger által kimetszett 11 hullámfelület van, a 4 tengelyen azzal együttforgást biztosító módon van rögzítve.

Továbbá a gép legalább kettő tükörszimmetrikus 1 forgórésze és a 2 állórészben elhelyezett 6 csapágyazáson támaszkodik, tengely irányban pedig a 2 állórész 2/a tengelyre merőleges sík felületen támaszkodik, amely támaszkodást a 4 tengelyen rögzített 7 szorító gyűrű biztosítja.

Továbbá a gép legalább kettő tükörszimmetrikus 1 forgórésze és a 2 állórész hengeres belső palástja között a 8 kombinált tömítés van kialakítva, amely rugalmas és csúszó elemekből van összeállítva. A 2 állórész 2/a tengelyre merőleges sík felülete és az 1 forgórész 1/a belső hengeres magja között a 9 kombinált tömítés van beiktatva, amely csúszó és rugalmas elemekből van összeállítva. Továbbá a gép legalább kettő tükörszimmetrikus 1 forgórészének hullámfelületein tengely irányban a 3 térelválasztó elemek támaszkodnak, amely 3 térelválasztó elemek száma az 1 forgórész hullámainak számánál eggyel kevesebb, és 3 térelválasztó elemek a 2 állórész 2/a tengelyre merőleges sík felületen kialakított tengely irányban átmenő 10 hornyaiban vannak megvezetve.

A 2 állórész 2/a tengelyre merőleges sík felületén kialakított 10 hornyai mellett a 2/a tengelyre merőleges sík felület egymással ellentétes oldalain a munkaközeg 5 be- és 5/a kilépő nyílásai nyernek elhelyezést.

A találmány szerinti gép működése során az 5 belépő nyíláson és annak a 3 térelválasztó elemek azonos oldalain lévő furatain keresztül a 3 térelválasztó elem, az 1 forgórész, a forgórész 1/a hengeres magja és a 2 állórész belső hengeres palástja és a 2/a tengelyre merőleges sík felület határolt térrészt a munkaközeg kitölti. A munkaközeg nyomása az 1 forgórész hullámfelületének erőt ad át, amely forgatónyomatékot idéz elő, miközben a munkát végzett közeg az 5/a kilépő nyíláson át elhagyja a gépet.

Amennyiben a forgórész ad át erőt a munkaközegnek ezzel annak nyomását növelve, az átáramlás, valamint a be- és kilépések ellentétes értelemben zajlanak le.

A találmány szerint létrehozott több célra felhasználható gép legfontosabb előnyeit az alábbiak szerint foglalhatjuk össze:

A gép szerkezeti megoldásai révén teljesítménye, nyomatéka, fordulatszáma és üzemi nyomása nem behatárolt és minden funkcióját egyetlen fokozatban képes teljesíteni. Járása, nyomatéka, fordulatszáma, szállítása egyenletes, miközben hatásfoka nem függ nagyságától.

A gép alkatrészeinek számát sikerült jelentősen lecsökkenteni, ezáltal működéséhez segédberendezések nem szükségesek (pl. nagy indítónyomatéka és széles

HU 212 379 Β határok között változtatható fordulatszáma áthajtóművek alkalmazását feleslegessé teszi).

A gép fordulatszáma a nyomaték állandósága mellett változtatható, nyomatéka azonos fordulatszámon a tápközeg nyomásváltoztatásával változtatható, míg a gép forgásiránya a közeg ráfolyásának irányváltásával megfordítható.

A gép teljesítményéhez viszonyított mérete kicsi, fajlagos bekerülési költsége kedvező.

Claims (2)

1. Axiális működésű energia-átalakító gép, motor vagy kompresszor és/vagy szivattyú, amelynek háza, abban elrendezett tengelyen rögzített forgórészei, állórésze, az álló és forgórészek között elrendezett térelválasztó elemei, és a térelválasztó elemek mellett kialakított be- és kilépő nyílásai vannak, azzal jellemezve, hogy az állórész (2) tengelyre merőleges sík felületén (2/a) tengely irányba támaszkodó legalább kettő tükörszimmetrikus forgórésze (1) van, amelyek tengelyen (4) vannak rögzítve, és amelyek az állórészhez (2)

5 sugárirányban tömítéssel (8), tengely irányban harmonikus függvény tengelyirányú vetülete által meghatározott vezérpályát képező hullámfelülettel (11) szorítógyűrűkkel (7) csatlakoznak, és a hullámfelületen (11) az állórész (2) hornyaiban (10) elrendezett térelválasz10 tó elemek (3) támaszkodnak, amely térelválasztó elemek (3) mellett az állórészben (2) a térelválasztó elemek (3) azonos oldalain belépő (5) ezzel ellentétes oldalain kilépő nyílások (5/a) vannak kialakítva.

2. Az 1. igénypont szerinti axiális működésű ener15 gia-átalakító gép, motor vagy kompresszor és/vagy szivattyú, azzal jellemezve, hogy a forgórész (1) állórészhez (2) tengelyirányban csatlakozó vezérpályát képező hullámfelületet (11) meghatározó függvény szinusz függvény.