PL194584B1 - Maszyna wirnikowo-wyporowa - Google Patents

Abstract

Maszyna wirnikowo-wyporowa posiadająca cztery równoległe wałki łożyskowane w obudowie i rozmieszczone w ten sposób, że ich osie w przekroju normalnym przechodzą przez wierzchołki kwadratu o boku długości a, i na czopach tych wałków osadzone są jednakowe koła zębate współpracujące z jednym centralnym kołem zębatym w ten sposób, że wszystkie wałki obracają się w tym samym kierunku i z tą samą prędkością kątową, znamienna tym, że na czterech wałkach (2) osadzone są współosiowo cztery jednakowe wirniko-tłoki (1), a każdy wirniko-tłok (1) stanowi bryłę, której powierzchnia boczna jest powierzchnią śrubową, utworzoną przez obrót dookoła osi, ze stałą prędkością kątową, o kąt około 180°, z jednoczesnym przesunięciem wzdłuż tej osi, figury (F ) płaskiej leżącej w płaszczyźnie prostopadłej do tej osi i zbudowanej z dwóch jednakowych łuków kołowych o kącie środkowym równym 90° i długości promienia (r) równej długości (a) boku kwadratu (G), położonych symetrycznie względem osi i połączonych ze sobą końcami, a bryła każdego wirniko- -tłoka (1) posiada jedną lub dwie płaskie powierzchnie krańcowe (Pk) prostopadłe do jej osi, którymi wirniko-tłoki (1) przylegają do jednej lub dwóch, płaskich powierzchni (Po) obudowy (3), poprzecznych względem wałków (2), w których to powierzchniach (Po) obudowy (3), centralnie względem osi czterech wałków (2) i równolegle do nich, wykonane są otwory (Ot) stanowiące kanały dla przepływającego przez maszynę czynnika roboczego

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest maszyna wirnikowo-wyporowa, stosowana w budowie sprężarek, pomp i silników.

Znane są w technice maszyny przepływowe, w tym wirnikowe i maszyny wyporowe, w tym śrubowe. Znana jest również maszyna wyporowa z czterema wirującymi tłokami owalnymi umieszczonymi pomiędzy dwoma równoległymi płytami, przedstawiona w zgłoszeniu patentowym nr P.308020. Maszyny przepływowe przy większych wydajnościach i mocach mają istotną przewagę nad maszynami wyporowymi zarówno pod względem koncentracji mocy, jak i sprawności. Przewaga ta wynika ze znacznie większej prędkości ich organów roboczych i mniejszych oporów przepływu czynnika roboczego przez maszynę. Przy małych mocach, a więc i strumieniach masy przepływającego przez maszynę czynnika, korzystniejsze okazują się maszyny wyporowe. Brak jest maszyn mogących pracować w szerokim zakresie wydajności. Takich, które przy dużych wydajnościach wykorzystywałyby energię kinetyczną niesioną przez przepływający czynnik, dając przy tym małe opory przepływu, a jednocześnie powodowałyby przecinanie i dzielenie strumienia czynnika roboczego pozwalając na wykorzystywanie energii wytwarzanego przezeń ciśnienia.

Istotą maszyny wirnikowo-wyporowej posiadającej cztery równoległe wałki łożyskowane w obudowie i rozmieszczone w ten sposób, że ich osie w przekroju normalnym przechodzą przez wierzchołki kwadratu o boku długości a, i na czopach tych wałków osadzone są jednakowe koła zębate współpracujące z jednym centralnym kołem zębatym w ten sposób, że wszystkie wałki obracają się w tym samym kierunku i z tą samą prędkością kątową, jest to, że na czterech wałkach osadzone są współosiowo cztery jednakowe wirniko-tłoki, a każdy wirniko-tłok stanowi bryłę, której powierzchnia boczna jest powierzchnią śrubową, utworzoną przez obrót dookoła osi, ze stałą prędkością kątową, o kąt około 180°, z jednoczesnym przesunięciem wzdłuż tej osi, figury płaskiej leżącej w płaszczyźnie prostopadłej do tej osi i zbudowanej z dwóch jednakowych łuków kołowych o kącie środkowym równym 90° i długości promienia r równej długości a boku kwadratu, położonych symetrycznie względem osi i połączonych ze sobą końcami, a bryła każdego wirniko-tłoka posiada jedną lub dwie płaskie powierzchnie krańcowe prostopadłe do jej osi, którymi wirniko-tłoki przylegają do jednej lub dwóch, płaskich powierzchni obudowy, poprzecznych względem wałków, w których to powierzchniach obudowy, centralnie względem osi czterech wałków i równolegle do nich, wykonane są otwory stanowiące kanały dla przepływającego przez maszynę czynnika roboczego. Bryła każdego wirniko-tłoka jest przedłużona wzdłuż osi przez dodanie do jej pierwotnej podstawowej części od strony przylegających płaskich powierzchni obudowy, jednakowych dla wszystkich wirniko-tłoków segmentów domykających, przy czym powierzchnia boczna śrubowa segmentu domykającego jest kontynuacją powierzchni śrubowej pierwotnej podstawowej części wirniko-tłoka, a figura płaska wyznaczająca w swoim złożonym ruchu tę powierzchnię śrubową, mająca w obrębie pierwotnej podstawowej części postać figury składającej się z dwóch łuków kołowych, przechodzi w obrębie segmentu domykającego w owal, który daje się wpisać w kwadrat o boku długości a i zbudowany jest z czterech łuków kołowych o kącie środkowym równym 90°, przy czym długość promienia łuku małego owalu, w miarę oddalania się od płaszczyzny połączenia segmentu domykającego z pierwotną podstawową częścią wirniko-tłoka, stopniowo wzrasta od wartości równej zero, tak by w płaszczyźnie powierzchni krańcowej przedłużonego wirniko-tłoka, przylegającej do płaskiej powierzchni obudowy, osiągnąć wartość większą od długości promienia otworu wykonanego centralnie w tej powierzchni.

Korzystnym skutkiem wynalazku jest to, że organy robocze maszyny pracując jak typowe wirniki maszyny przepływowej, przecinają i dzielą jednocześnie strumień przepływającego przez maszynę czynnika roboczego na tyle skutecznie, że mogą nań oddziaływać wyporowo. Ponadto w maszynie tej występuje prosto ukierunkowany przepływ czynnika roboczego, co zmniejsza opory przepływu i ma korzystny wpływ na sprawność maszyny. Poszczególne elementy maszyny wykonują prosty ruch obrotowy, istnieje możliwość osiągania dużych prędkości organów roboczych. Kształt wirniko-tłoków i pozostałych elementów maszyny jest łatwy w obróbce. Przy zachowaniu odpowiednich luzów nie ma bezpośredniego tarcia organów roboczych, powodującego ich zużycie.

Wynalazek został przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia maszynę wirnikowo-wyporową w przekroju wzdłużnym A-A, fig. 2 - maszynę w przekroju poprzecznym B-B przez wirniko-tłoki, fig. 3 - wirniko-tłok o zmiennym skoku powierzchni śrubowej z dodanym jednostronnie segmentem domykającym w widoku bocznym, fig. 3a - przekrój poprzeczny A-A wirniko-tłoka na wysokości segmentu domykającego, fig. 3b - przekrój poprzeczny B-B wirniko-tłoka

PL 194 584 B1 na wysokości segmentu domykającego, fig. 3c - przekrój poprzeczny C-C wirniko-tłoka w płaszczyźnie połączenia części podstawowej z segmentem domykającym, fig. 4 - wirniko-tłok o zmiennym skoku powierzchni śrubowej z dodanym jednostronnie segmentem domykającym wrzucić aksonometrycznym, fig. 5 - przekrój wzdłużny A-A maszyny w zastosowaniu sprężarkowym, fig. 6 - przekrój poprzeczny łamany B-B maszyny w zastosowaniu sprężarkowym, a fig. 7 - przekrój wzdłużny pompy.

Maszyna wirnikowo-wyporowa składa się z czterech jednakowych wirniko-tłoków 1 osadzonych współosiowo na czterech równoległych wałkach 2. Wałki te łożyskowane są w obudowie 3 i rozmieszczone w taki sposób, że ich osie, w przekroju normalnym przechodzą przez wierzchołki kwadratu Γ o długości boku a. Na czopach tych wałków osadzone są jednakowe koła zębate 4 współpracujące z jednym centralnym kołem zębatym 5 tak, że wszystkie wałki obracają się w tym samym kierunku, z tą samą prędkością kątową. Każdy wirniko-tłok 1 jest bryłą, której powierzchnia boczna jest powierzchnią śrubową, utworzoną przez obrót dookoła osi, ze stałą prędkością kątową i z jednoczesnym przesunięciem wzdłuż tej osi, figury Φ płaskiej leżącej w płaszczyźnie prostopadłej do tej osi. Figura Φ zbudowana jest z dwóch jednakowych łuków kołowych o kącie środkowym równym 90° i długości promienia r równej długości a boku kwadratu Γ. Łuki te położone są symetrycznie względem osi wirniko-tłoka 1 i połączone ze sobą końcami. Przy przesunięciu figury Φ wzdłuż osi ruchem jednostajnym uzyskuje się powierzchnię śrubową o stałym skoku, natomiast przy przesunięciu ruchem przyśpieszonym powierzchnię śrubową o zmiennym skoku. Pierwsze rozwiązanie uzasadnione jest łatwiejszym wykonaniem wirniko-tłoka, drugie daje korzystniejsze warunki pracy maszyny. Dopuszcza się oba rozwiązania. Dla uzyskania stałego przedzielenia strumienia czynnika roboczego, przepływającego pomiędzy wirniko-tłokami, figura Φ wyznaczająca powierzchnię śrubową powinna zakreślić w swoim ruchu obrotowym dookoła osi kąt równy lub nieco większy od 180°. W niektórych zastosowaniach maszyny i przy dużych prędkościach obrotowych, dopuszcza się chwilowe połączenie przestrzeni po obu stronach wirniko-tłoków powodowane kątem nieco mniejszym od 180°. Zakłada się, że kąt ten powinien wynosić około 180°. Bryła każdego wirniko-tłoka 1 posiada jedną lub dwie płaskie powierzchnie krańcowe Pk prostopadłe do jej osi, którymi przylega do poprzecznych względem wałków 2, płaskich powierzchni Po obudowy 3.

W rozwiązaniach, w których wirniko-tłoki 1, posiadają jedną płaską powierzchnię krańcową Pk, przylegają one jednostronnie do jednej płaskiej powierzchni obudowy Po. Natomiast, gdy posiadają dwie płaskie powierzchnie krańcowe Pk, to dwie płaskie powierzchnie obudowy przylegają do nich z obu stron. W płaskich powierzchniach obudowy Po, centralnie względem osi czterech wałków 2 i równolegle do nich, wykonane są otwory Ot stanowiące kanały dla przepływającego przez maszynę czynnika roboczego. Wirniko-tłoki 1 nie oddzielają na stałe przestrzeni otworu Ot stanowiącego kanał przepływowy dla czynnika roboczego, od przestrzeni otaczającej od zewnątrz zestaw wirniko-tłoków 1. Chwilowe połączenie obu przestrzeni następuje w momencie, gdy wierzchołki wirniko-tłoków 1 leżące w płaszczyźnie krańcowej Pk znajdą się, w trakcie obrotu, na przeciwko otworu Ot. Przypadek ten w niektórych zastosowaniach maszyny może być nawet korzystny. Na przykład w zastosowaniu maszyny w budowie sprężarki, z wirniko-tłokami o zmiennym skoku powierzchni śrubowej, pracującymi przy dużej prędkości obrotowej, chwilowe niedomknięcie przestrzeni tłocznej spowoduje efekt strumienicy - dodatkowego zassania czynnika roboczego z przestrzeni zewnętrznej wirniko-tłoków. W innych przypadkach zastosowań maszyny, gdy takie otwarcie jest niepożądane, bryła każdego wirniko-tłoka 1 powinna być przedłużona wzdłuż osi z każdej strony, z której przylega do płaskiej powierzchni obudowy, przez dodanie do jej pierwotnej podstawowej części Sp, jednakowego segmentu domykającego Sd. Powierzchnia boczna śrubowa takiego segmentu jest kontynuacją powierzchni śrubowej pierwotnej podstawowej części Sp wirniko-tłoka 1, przy czym figura płaska wyznaczająca w swoim złożonym ruchu tę powierzchnię, mająca w obrębie pierwotnej podstawowej części Sp postać figury Φ składającej się z dwóch łuków kołowych, przechodzi w obrębie segmentu Sd w owal Φ'. Owal, który daje się wpisać w kwadrat o boku długości a i zbudowany jest z czterech łuków kołowych o kącie środkowym równym 90°. Długość promienia łuku małego rm w owalu Φ', w miarę oddalania się od płaszczyzny połączenia segmentu Sd z pierwotną podstawową częścią Sp wirniko-tłoka, stopniowo wzrasta. W płaszczyźnie połączenia długość ta wynosi zero, a w płaszczyźnie krańcowej Pk przedłużonego wirniko-tłoka, przylegającej do płaskiej powierzchni obudowy Po, osiąga wartość większą od długości promienia otworu Ot wykonanego centralnie w tej powierzchni.

W przykładzie zastosowania maszyny według wynalazku w budowie sprężarki - fig. 5, fig. 6, wykorzystano wirniko-tłoki 1 bez segmentu domykającego przylegające jednostronnie do płaskiej powierzchni obudowy Po. Otwór Ot w tej powierzchni stanowi kanał wylotowy. Napęd przekazywany jest

PL 194 584 B1 na wałek koła zębatego 6, a następnie poprzez koło zębate centralne 5 w kształcie pierścienia o uzębieniu zewnętrznym i wewnętrznym na koła zębate 4 osadzone na wałkach 2 wirniko-tłoków 1. Powietrze przepływające po zewnętrznej stronie zestawu wirniko-tłoków 1 schładza sprężarkę.

W przykładzie zastosowania maszyny według wynalazku w budowie pompy - fig. 7, wirnikotłoki 1 z obu stron mają dodane segmenty domykające Sd i obustronnie przylegają do płaskich powierzchni obudowy Po, z centralnie wykonanymi otworami Ot, przy czym jeżeli otwór w jednej powierzchni stanowi kanał wlotowy, to otwór w drugiej powierzchni stanowi kanał wylotowy. Czynnik roboczy, który dostaje się na skutek nieszczelności do przestrzeni leżącej na zewnątrz zestawu wirniko-tłoków 1 jest odpompowywany z powrotem do przestrzeni ssawnej pompy. Napęd wirniko-tłoków 1, rozwiązany jest w podobny sposób jak w sprężarce.

Claims (2)

Zastrzeżenia patentowe

1. Maszyna wirnikowo-wyporowa posiadająca cztery równoległe wałki łożyskowane w obudowie i rozmieszczone w ten sposób, że ich osie w przekroju normalnym przechodzą przez wierzchołki kwadratu o boku długości a, i na czopach tych wałków osadzone są jednakowe koła zębate współpracujące z jednym centralnym kołem zębatym w ten sposób, że wszystkie wałki obracają się w tym samym kierunku i z tą samą prędkością kątową, znamienna tym, że na czterech wałkach (2) osadzone są współosiowo cztery jednakowe wirniko-tłoki (1), a każdy wirniko-tłok (1) stanowi bryłę, której powierzchnia boczna jest powierzchnią śrubową, utworzoną przez obrót dookoła osi, ze stałą prędkością kątową, o kąt około 180°, z jednoczesnym przesunięciem wzdłuż tej osi, figury (Φ) płaskiej leżącej w płaszczyźnie prostopadłej do tej osi i zbudowanej z dwóch jednakowych łuków kołowych o kącie środkowym równym 90° i długości promienia (r) równej długości (a) boku kwadratu (Γ), położonych symetrycznie względem osi i połączonych ze sobą końcami, a bryła każdego wirniko-tłoka (1) posiada jedną lub dwie płaskie powierzchnie krańcowe (Pk) prostopadłe do jej osi, którymi wirniko-tłoki (1) przylegają do jednej lub dwóch, płaskich powierzchni (Po) obudowy (3), poprzecznych względem wałków (2), w których to powierzchniach (Po) obudowy (3), centralnie względem osi czterech wałków (2) i równolegle do nich, wykonane są otwory (Ot) stanowiące kanały dla przepływającego przez maszynę czynnika roboczego.

2. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że bryła każdego wirniko-tłoka (1) jest przedłużona wzdłuż osi przez dodanie do jej pierwotnej podstawowej części (Sp) od strony przylegających płaskich powierzchni (Po) obudowy (3), jednakowych dla wszystkich wirniko-tłoków (1) segmentów domykających (Sd), przy czym powierzchnia boczna śrubowa segmentu domykającego (Sd) jest kontynuacją powierzchni śrubowej pierwotnej podstawowej części (Sp) wirniko-tłoka (1), a figura płaska wyznaczająca w swoim złożonym ruchu tę powierzchnię śrubową, mająca w obrębie pierwotnej podstawowej części (Sp) postać figury (Φ) składającej się z dwóch łuków kołowych, przechodzi w obrębie segmentu domykającego (Sd) w owal (Φ'), który daje się wpisać w kwadrat o boku długości (a) i zbudowany jest z czterech łuków kołowych o kącie środkowym równym 90°, przy czym długość promienia łuku małego (rm) owalu (Φ'), w miarę oddalania się od płaszczyzny połączenia segmentu domykającego (Sd) z pierwotną podstawową częścią (Sp) wirniko-tłoka (1), stopniowo wzrasta od wartości równej zero, tak by w płaszczyźnie powierzchni krańcowej (Pk) przedłużonego wirniko-tłoka (1), przylegającej do płaskiej powierzchni obudowy (Po), osiągnąć wartość większą od długości promienia otworu (Ot) wykonanego centralnie w tej powierzchni.