PL214431B1

PL214431B1 - Maszyna wirnikowo-wyporowa o sprężu wewnętrznym

Info

Publication number: PL214431B1
Application number: PL381658A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Zniszczynski
Original assignee: Andrzej Zniszczynski
Priority date: 2007-02-01
Filing date: 2007-02-01
Publication date: 2013-07-31
Also published as: PL381658A1

Description

(21) Numer zgłoszenia: 381658

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 01.02.2007 (51) Int.Cl.

F01C 1/063 (2006.01) F04D 17/06 (2006.01) F01C 1/16 (2006.01) F04B 19/12 (2006.01) F01B 31/14 (2006.01) (54)

Maszyna wirnikowo-wyporowa o sprężu wewnętrznym

(43) Zgłoszenie ogłoszono: 04.08.2008 BUP 16/08	(73) Uprawniony z patentu: ZNISZCZYŃSKI ANDRZEJ, Lublin, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.07.2013 WUP 07/13	(72) Twórca(y) wynalazku: ANDRZEJ ZNISZCZYŃSKI, Lublin, PL

PL 214 431 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest maszyna wirnikowo-wyporowa o sprężu wewnętrznym, stosowana w budowie sprężarek i silników.

Dotychczas znane są i stosowane w technice maszyny przepływowe wirnikowe i maszyny wyporowe śrubowe. Znana jest maszyna wirnikowo-wyporowa z czterema wirującymi rotorami śrubowymi, według patentu polskiego nr 194594. W maszynie tej rotory kształtu śrubowego składają się z części wyporowej i jednego albo dwóch segmentów domykających, przy czym w części wyporowej kąt skręcenia linii śrubowej krawędzi ich płatów wynosi około 180 stopni. W rozwiązaniu takim, tuż po zamknięciu przestrzeni między rotorami od strony kanału wlotowego, następuje jej otwarcie w stronę kanału wylotowego. Nie dochodzi więc do sprężania wewnętrznego w tej przestrzeni.

Znana jest również maszyna wirnikowo-wyporowa według patentu polskiego nr 196178. W maszynie tej, w części wyporowej rotora, kąt skręcenia linii śrubowej krawędzi płatów przekracza 180 stopni, a jej skok wzrasta wzdłuż osi rotora. Rozwiązanie takie pozwala na uzyskane sprężania wewnętrznego, ale wiąże się ze znacznym wydłużeniem rotorów.

Istotą maszyny wirnikowo-wyporowej o sprężu wewnętrznym posiadającej cztery jednakowe równoległe współbieżne rotory łożyskowane w obudowie w ten sposób, że ich osie obrotu w przekroju normalnym stanowią wierzchołki kwadratu o boku długości a, a każdy rotor stanowi bryłę osiowo symetryczną, której powierzchnia boczna jest powierzchnią śrubową, utworzoną przez obrót z jednoczesnym przesunięciem wzdłuż osi obrotu, figury płaskiej leżącej w płaszczyźnie prostopadłej do tej osi i mającej kształt owalu wpisującego się w kwadrat o boku długości a, składającego się z czterech łuków kołowych o kącie środkowym równym 90°, dwóch o promieniu r1 i dwóch o promieniu r2, gdzie r₁ < r₂, połączonych stycznie i naprzemiennie, przy czym bryła rotora składa się z części wyporowej, w której przekrój poprzeczny owalny nie zmienia się wzdłuż osi, a promienie r1 łuków tego przekroju są ponad kilkadziesiąt razy mniejsze od promieni r2 oraz jednego lub dwu segmentów domykających połączonych współosiowo z częścią wyporową i zakończonych owalnymi płaskimi powierzchniami czołowymi, którymi to rotor przylega do płaskich powierzchni obudowy z centralnie wykonanymi otworami kanałów rozrządu, a w segmentach tych promienie r1 łuków owalnego poprzecznego przekroju zmieniają się wzdłuż osi rotora i rosną wraz ze zbliżaniem się do powierzchni czołowych rotora jest to, że każdy z czterech rotorów maszyny w części wyporowej składa się z pięciu segmentów połączonych współosiowo, przy czym segmenty pierwszy i piąty brzegowe są segmentami, których skok linii śrubowej jest stały na całej wysokości segmentu mierzonej wzdłuż jego osi, a segment trzeci środkowy jest segmentem o stałym skoku linii śrubowej, większym od skoku linii śrubowej segmentów pierwszego i piątego, natomiast pozostałe segmenty: drugi i czwarty są segmentami, których skok linii śrubowej zmienia się w sposób ciągły i monotoniczny wzdłuż ich wysokości, przyjmując na końcach segmentów drugiego i czwartego w miejscu łączenia z segmentami sąsiednimi wartości skoku linii śrubowej tych segmentów. Każdy z czterech rotorów maszyny ma segment pierwszy wyporowy o wysokości minimalnie większej od połowy skoku linii śrubowej tego segmentu. Każdy z czterech rotorów maszyny ma segment piąty wyporowy o wysokości z przedziału od 0 do 0,3 wysokości segmentu pierwszego.

Korzystnym skutkiem wynalazku jest to, że przy mniejszej wysokości rotorów, a więc przy rotorach krótszych otrzymuje się większe stopnie sprężania wewnętrznego - sprężania uzyskiwanego w przestrzeni zamykanej między rotorami.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia pojedynczy rotor maszyny w widoku bocznym, fig. 2 - rozwinięcie linii śrubowych krawędzi płatów tego rotora, fig. 3 - zespół współpracujących rotorów w przekroju osiowym w momencie osiągnięcia najmniejszej objętości przestrzeni roboczej zamykanej między rotorami, fig. 3a - poprzeczny przekrój A-A zespołu rotorów, fig. 4 - zespół współpracujących rotorów w przekroju osiowym w momencie osiągnięcia największej objętości przestrzeni roboczej zamykanej między rotorami, fig. 5 - przedstawia przekrój wzdłużny całej maszyny wirnikowo wyporowej w zastosowaniu sprężarkowym.

Maszyna wirnikowo-wyporowa posiada cztery jednakowe równoległe współbieżne rotory 1 łożyskowane w obudowie w ten sposób, że ich osie obrotu w przekroju normalnym stanowią wierzchołki kwadratu o boku długości a. Każdy rotor stanowi bryłę osiowo symetryczną, której powierzchnia boczna jest powierzchnią śrubową, utworzoną przez obrót z jednoczesnym przesunięciem wzdłuż osi obrotu, figury płaskiej leżącej w płaszczyźnie prostopadłej do tej osi i mającej kształt owalu wpisującego się w kwadrat o boku długości a. Owal taki składa się z czterech łuków kołowych o kącie środkowym rówPL 214 431 B1 nym 90°, dwóch o promieniu r₁ i dwóch o promieniu r₂, przy czym r₁ < r₂. Łuki te połączone są stycznie i naprzemiennie.

Rotor 1 maszyny wirnikowo wyporowej składa się z dwóch segmentów domykających Sk1 i Sk2 oraz w części wyporowej z pięciu segmentów S1, S2, S3, S4, S5. Segmenty S1 i S5 brzegowe są segmentami których skok linii śrubowej jest stały na całej wysokości segmentu mierzonej wzdłuż jego osi. Segment S3 środkowy jest segmentem o stałym skoku linii śrubowej, większym od skoku linii śrubowej segmentów S1 i S5. Pozostałe segmenty S2 i S4 są segmentami, których skok linii śrubowej zmienia się w sposób ciągły i monotoniczny wzdłuż ich wysokości, przyjmując na końcach tych segmentów, w miejscu łączenia z segmentami sąsiednimi wartości skoku linii śrubowej tych segmentów. Rozwiązanie takie pozwala na gładkie styczne łączenie powierzchni bocznych poszczególnych segmentów rotora ułatwiając jego obróbkę. Wysokość segmentu S1 wyporowego jest minimalnie większa od połowy skoku jego linii śrubowej.

Linie śrubowe krawędzi płatów rotora leżą na powierzchni walcowej o średnicy d. Na rozwinięciu tej powierzchni, odcinki prostoliniowe rozwinięcia linii śrubowych krawędzi płatów rotora odpowiadające segmentom S1, S3, S5 o stałym skoku linii śrubowej, połączone są stycznie z odcinkami krzywoliniowymi odpowiadającymi segmentom S2 i S4 o zmiennym skoku linii śrubowej. Przy istniejących dwóch zwojach płatów rotorów rozwinięcia obu linii śrubowych przesunięte są względem siebie o odcinek długości nd/2 mierzony w kierunku rozwijania. Odległość tych linii mierzona w kierunku równoległym do osi rotora określa wysokość przestrzeni roboczej V zamykanej między rotorami. Najmniejszą wartość odległość ta przyjmuje przy odmierzaniu jej od początku linii śrubowej zaczynającej się na skraju segmentu S1. Stanowi ona wówczas wysokość h_min zamkniętej przestrzeni roboczej V_mino najmniejszej objętości, natomiast odległość ta odmierzana od końca linii śrubowej na skraju segmentu S5 stanowi wysokość h_max zamykanej przestrzeni roboczej V_max o największej objętości.

Stosunek objętości przestrzeni roboczej V_max do objętości przestrzeni roboczej V_min określa stopień sprężania albo rozprężania wewnętrznego uzyskiwanego w maszynie wirnikowo-wyporowej. Przy ograniczonym oddolnie skoku linii śrubowej rotora najmniejszą wartość objętości przestrzeni roboczej V_minuzyskuje się dla wysokości segmentu S1 równej połowie skoku jego linii śrubowej. Natomiast największe wartości objętości przestrzeni roboczej V_max przy najmniejszej wysokości rotorów uzyskuje się wówczas, gdy w środku wysokości h_max przestrzeń tą zamykają ścianki boczne segmentów S3 o dużym skoku linii śrubowej, a po brzegach segmenty S1 i S5 o małym skoku linii śrubowej. Wtedy skrajne zwężające się odcinki tej przestrzeni są identyczne jak w przestrzeni roboczej V_min, a odcinek środkowy o największym przekroju poprzecznym ulega znacznemu rozszerzeniu powodowanemu większym skokiem linii śrubowej segmentów S3.

W przykładzie zastosowania maszyny według wynalazku w budowie sprężarki - fig. 5, wykorzystano rotory 1, w których wysokość górnego segmentu S5 o stałym i małym skoku linii śrubowej zredukowana została do zera, a zwiększona wysokość segmentu S4. Rotory 1 swoimi czołowymi powierzchniami przylegają do dwóch płaskich powierzchni 2 i 3 obudowy. W powierzchniach 2 i 3 centralnie wykonane są otwory 4 i 5 kanałów rozrządu.

Krawędzie płatów czterech rotorów 1 zbiegają się w osi maszyny tworząc poprzeczne przegrody dzielące przestrzeń między rotorami. Przegrody te powstają na końcach krawędzi płatów od strony otworu 4 kanału wlotowego i wraz z obrotami rotorów 1 przemieszczają się wzdłuż osi sprężarki w stronę otworu 5 kanału wylotowego. Po dojściu do końca krawędzi płatów od strony otworu kanału wylotowego przegrody ulegają rozstąpieniu. Pomiędzy kolejnymi przegrodami zamykane są przestrzenie robocze V wypełniane czynnikiem roboczym, który wraz z przemieszczaniem przegród przetłaczany jest porcjami z przestrzeni kanału wlotowego do przestrzeni kanału wylotowego. Budowa segmentowa rotorów i zmiana skoku linii śrubowej krawędzi płatów w poszczególnych segmentach sprawiają, że objętości zamykanych przestrzeni roboczych V zmniejszają się w trakcie przemieszczania wzdłuż osi sprężarki, powodując sprężanie wypełniającego te przestrzenie czynnika roboczego.

Napęd sprężarki przekazywany jest na wałek koła zębatego 6, a następnie poprzez koło zębate 7 centralne w kształcie pierścienia o uzębieniu zewnętrznym i wewnętrznym na koła zębate 8 osadzone na czopach wałków rotorów 1. Zamknięta przestrzeń zewnętrzna Vz otaczającą zestaw rotorów wypełniona jest częściowo czynnikiem chłodzącym, którego obieg wymuszają płaty rotorów 1. Uzyskuje się przez to obmywanie zewnętrzne rotorów chłodziwem. Biorąc pod uwagę, że każdy punkt powierzchni roboczej rotora tylko przez ¼ obrotu tego rotora skierowany jest w stronę przestrzeni roboczej V skąd pobiera ciepło od sprężanego gazu, a następnie przez ¾ obrotu w stronę przestrzeni zewnętrznej Vz, należy spodziewać się dobrego odprowadzania ciepła z rotorów i przejmowania go

PL 214 431 B1 przez czynnik chłodzący. Dalej czynnik chłodzący kierowany jest do kanałów 9 obudowy przekazując ciepło na użebrowane zewnętrzne jej ścianki. Tym sposobem ciepło wyprowadzane jest na zewnątrz i równomiernie rozprowadzane po sprężarce.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Maszyna wirnikowo-wyporowa o sprężu wewnętrznym posiadająca cztery jednakowe równoległe współbieżne rotory łożyskowane w obudowie w ten sposób, że ich osie obrotu w przekroju normalnym stanowią wierzchołki kwadratu o boku długości a, a każdy rotor stanowi bryłę osiowo symetryczną, której powierzchnia boczna jest powierzchnią śrubową, utworzoną przez obrót z jednoczesnym przesunięciem wzdłuż osi obrotu, figury płaskiej leżącej w płaszczyźnie prostopadłej do tej osi i mającej kształt owalu wpisującego się w kwadrat o boku długości a, składającego się z czterech łuków kołowych o kącie środkowym równym 90°, dwóch o promieniu r1 i dwóch o promieniu r2, gdzie r₁ < r₂, połączonych stycznie i naprzemiennie, przy czym bryła rotora składa się z części wyporowej, w której przekrój poprzeczny owalny nie zmienia się wzdłuż osi, a promienie r1 łuków tego przekroju są ponad kilkadziesiąt razy mniejsze od promieni r2 oraz jednego lub dwu segmentów domykających połączonych współosiowo z częścią wyporową i zakończonych owalnymi płaskimi powierzchniami czołowymi, którymi to rotor przylega do płaskich powierzchni obudowy z centralnie wykonanymi otworami kanałów rozrządu, a w segmentach tych promienie r1 łuków owalnego poprzecznego przekroju rotora zmieniają się wzdłuż osi rotora i rosną wraz ze zbliżaniem się do powierzchni czołowych rotora, znamienna tym, że każdy z czterech rotorów (1) maszyny w części wyporowej składa się z pięciu segmentów (S1, S2, S3, S4, S5) połączonych współosiowo, przy czym segmenty (S1) i (S5) brzegowe są segmentami, których skok linii śrubowej powierzchni bocznej jest stały na całej wysokości segmentu mierzonej wzdłuż jego osi, a segment (S3) środkowy jest segmentem o stałym skoku linii śrubowej, większym od skoku linii śrubowej segmentów (S1) i (S5), natomiast pozostałe segmenty: (S2) i (S4) są segmentami, których skok linii śrubowej zmienia się w sposób ciągły i monotoniczny wzdłuż ich wys okości, przyjmując na końcach segmentów (S2) i (S4) w miejscu łączenia z segmentami sąsiednimi wartości skoku linii śrubowej tych segmentów.
2. Maszyna według zastrz. 1, znamienna tym, że każdy z czterech rotorów (1) maszyny ma segment (S1) wyporowy o wysokości minimalnie większej od połowy skoku linii śrubowej tego segmentu.
3. Maszyna według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że każdy z czterech rotorów (1) maszyny ma segment (S5) wyporowy o wysokości z przedziału od 0 do 0,3 wysokości segmentu (S1).