RU115414U1

RU115414U1 - ROTARY PISTON MACHINE

Info

Publication number: RU115414U1
Application number: RU2011128814/06U
Authority: RU
Inventors: Владислав Сергеевич Буриков; Игорь Вячеславович Буриков; Юрий Вячеславович Буриков
Original assignee: Владислав Сергеевич Буриков; Игорь Вячеславович Буриков; Юрий Вячеславович Буриков
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2012-04-27

Abstract

1. Роторно-поршневая машина, состоящая из цилиндрического корпуса, кольцевого поршня меньшего диаметра, размещенного внутри кольцевого корпуса и находящегося в постоянном контакте с его внутренней поверхностью, герметичной заслонки, шарнирно соединенной с кольцевым поршнем и цилиндрическим корпусом, рабочего вала, клапанов впуска и выпуска рабочего тела, торцевых крышек корпуса машины с элементами герметизации торцевых поверхностей корпуса, поршня и заслонки, отличающаяся тем, что рабочий вал машины выполнен в виде вала-водилы с закрепленным на периферии вала-водилы по крайней мере одним свободно вращающимся роликом, находящимся в постоянном контакте с внутренней поверхностью кольцевого поршня. ! 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что, по крайней мере, один ролик соединен с валом-водилой эксцентриковым поворотным валиком, закрепленным на валу-водиле в скользящих опорах. ! 3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что скользящие опоры эксцентрикового валика закреплены на вале-водиле и выполнены подпружиненными. 1. Rotary piston machine, consisting of a cylindrical body, an annular piston of a smaller diameter, placed inside the annular body and in constant contact with its inner surface, a sealed flap pivotally connected to the annular piston and the cylindrical body, a working shaft, intake and exhaust valves working medium, end covers of the machine body with elements of sealing the end surfaces of the body, piston and shutter, characterized in that the working shaft of the machine is made in the form of a carrier shaft with at least one freely rotating roller fixed on the periphery of the carrier shaft, which is in constant contact with the inner surface of the annular piston. ! 2. Machine according to claim 1, characterized in that at least one roller is connected to the carrier shaft by an eccentric rotary roller fixed on the carrier shaft in sliding bearings. ! 3. Machine according to claim 1, characterized in that the sliding bearings of the eccentric roller are fixed on the carrier shaft and are spring-loaded.

Description

Полезная модель относится к машиностроению и, в частности, к классу машин, предназначенных для получения сжатого газа или преобразования энергии сжатого газа в полезную работу.The utility model relates to mechanical engineering and, in particular, to the class of machines designed to produce compressed gas or to convert the energy of compressed gas into useful work.

Обычно для сжатия газов используют поршневые, центробежные или роторные машины. В последнее время получают распространение спиральные компрессоры. Все эти устройства имеют свои преимущества и недостатки: поршневые сложно уравновешивать, они подвержены повышенным нагрузкам при достижении верхней мертвой точки (ВМТ), имеют достаточно большие скорости перемещения рабочих поршней, и, следовательно, повышенный уровень потерь на трение. По этим причинам компрессоры требуют хорошего охлаждения, смазки. Кроме того, они обладают значительным весом, производят повышенный уровень шума и, как правило, требуют периодической остановки для проведения профилактических работ.Typically, piston, centrifugal or rotary machines are used to compress gases. Recently, scroll compressors are gaining ground. All these devices have their advantages and disadvantages: piston devices are difficult to balance, they are subject to increased loads when reaching top dead center (TDC), they have sufficiently high speeds for moving working pistons, and, therefore, an increased level of friction losses. For these reasons, compressors require good cooling, lubrication. In addition, they have considerable weight, produce an increased level of noise and, as a rule, require a periodic stop for maintenance work.

Центробежные компрессоры не позволяют получить значительные степени сжатия в одной ступени из-за необходимости достижения весьма высоких окружных скоростей рабочего колеса (более 600 м/сек.), что приводит к росту оборотов машины и снижению ее длительной работоспособности.Centrifugal compressors do not allow to obtain significant compression ratios in one stage due to the need to achieve very high peripheral impeller speeds (more than 600 m / s), which leads to an increase in machine speed and a decrease in its long service life.

Роторные машины лопастные (RF №2200234 от 10.03.2003 г. F01c 1/344) и роторно-поршневые (RU №2299990 от 27.06.2007 г. F01C 1/077) позволяют в принципе достигать в одной ступени более высоких степеней сжатия по сравнению с центробежными компрессорами при существенно более низких числах оборотов. Это же относится и к спиральным компрессорам.Rotary vane machines (RF No. 2200234 dated March 10, 2003 F01c 1/344) and rotary piston machines (RU No. 2299990 dated June 27, 2007 F01C 1/077) allow, in principle, to achieve higher compression ratios in one stage compared to with centrifugal compressors at significantly lower speeds. The same applies to scroll compressors.

Несмотря на очевидные достоинства, роторные машины обладают и рядом существенных недостатков. Например, изготовление спиральных компрессоров требует использования специального высокоточного оборудования, т.к. рабочими поверхностями в этих машинах являются эвольвентные поверхности, выполняемые с высокой точностью и качеством сопрягаемых деталей. Это увеличивает стоимость машины, а сложность ее охлаждения требует применения достаточно изощренных конструкционных решений. Кроме того принципиально трудно создать спиральные машины с высокой производительностью.Despite the obvious advantages, rotary machines have a number of significant disadvantages. For example, the manufacture of scroll compressors requires the use of special high-precision equipment, as work surfaces in these machines are involute surfaces, performed with high accuracy and quality of mating parts. This increases the cost of the machine, and the complexity of its cooling requires the use of fairly sophisticated structural solutions. In addition, it is fundamentally difficult to create high-performance spiral machines.

Лопастные компрессоры оказываются хуже поршневых по достижению существенных степеней сжатия в одной ступени из-за значительно более высоких скоростей движения лопаток относительно корпуса по сравнению со скоростями поршней. Вследствие этого происходит повышенный уровень потерь на трение и наличие значительных утечек рабочего тела через контактные поверхности. Тем не менее, достаточно широко распространены лопастные пневмодвигатели благодаря простоте и надежности конструкции таких машин.Vane compressors turn out to be worse than reciprocating compressors in achieving significant compression ratios in one stage due to significantly higher speeds of blades relative to the casing compared to piston speeds. As a result, there is an increased level of friction losses and the presence of significant leaks of the working fluid through contact surfaces. Nevertheless, vane air motors are quite widespread due to the simplicity and reliability of the design of such machines.

Роторно-поршневые машины по идее должны обладать достоинствами чисто роторных машин и не иметь или обладать сильно уменьшенными недостатками, присущими поршневым и центробежным машинам. В качестве прототипа авторы выбрали двигатель внутреннего сгорания, описанный в Патенте РФ №2410554 от 27.01.2011 г. (авторы Первунин В.Г. и др.) в котором применены роторно - поршневой компрессор и роторно - поршневая машина расширения.Rotary-piston machines should in principle have the advantages of purely rotary machines and not have or have greatly reduced disadvantages inherent in piston and centrifugal machines. As a prototype, the authors chose an internal combustion engine described in RF Patent No. 2410554 dated January 27, 2011 (authors Pervunin V.G. et al.) In which a rotary piston compressor and a rotary piston expansion machine are used.

Двигатель состоит из компрессора, машины расширения и камеры сгорания, в которую подается сжатый в компрессоре воздух и углеводородное топливо. Особенность конструкции роторно-поршневых машин, из которых состоит двигатель, заключается в том, что в цилиндрическом корпусе машин размещается эксцентриковый вал, на котором соосно размещено цилиндрическое кольцо, соединенное с корпусом машин шарнирно закрепленной на кольце и корпусе заслонкой. Цилиндрическое кольцо находится в контакте с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса, создавая замкнутую полость между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса машины, кольцом эксцентрикового вала и заслонкой. При вращении эксцентрикового вала эта полость изменяет свой объем, обеспечивая компрессию воздуха или преобразование давления продуктов сгорания, поступающих из камеры сгорания двигателя, в полезную работу. При вращении эксцентрикового вала кольцо совершает возвратно поступательное движение, причем из-за небольшого эксцентриситета вала средняя скорость движения кольца оказывается много меньше средней скорости поршней в поршневой машине того же рабочего объем, а нагрузки, действующие на эксцентриковый вал, существенно ниже.The engine consists of a compressor, an expansion machine, and a combustion chamber into which compressed air and hydrocarbon fuel are supplied to the compressor. The design feature of the rotary piston machines that make up the engine is that an eccentric shaft is placed in the cylindrical body of the machines, on which a cylindrical ring is placed coaxially, connected to the machine body by a damper pivotally mounted on the ring and the body. The cylindrical ring is in contact with the inner surface of the cylindrical body, creating a closed cavity between the inner surface of the cylindrical body of the machine, the eccentric shaft ring and the shutter. When the eccentric shaft rotates, this cavity changes its volume, providing air compression or converting the pressure of the combustion products coming from the combustion chamber of the engine into useful work. When the eccentric shaft rotates, the ring makes a reciprocating motion, and due to the small eccentricity of the shaft, the average speed of the ring is much less than the average speed of the pistons in the piston machine of the same working volume, and the loads acting on the eccentric shaft are much lower.

По мнению авторов, основным недостатком предложенного технического решения является трудность обеспечения надежного контакта наружной поверхности кольца вала и внутренней поверхности цилиндрического корпуса. Кроме того эксцентриковый вал и внутренняя поверхность кольца должны соприкасаться. По этой причине относительная скорость практически радиально неподвижного кольца и эксцентрикового вала оказывается весьма существенной и зависит от оборотов двигателя. Эти обстоятельства могут привести к значительным трудностям при реализации конструкции двигателя, особенно в машине расширения, а также роста потерь на трение.According to the authors, the main disadvantage of the proposed technical solution is the difficulty of ensuring reliable contact of the outer surface of the shaft ring and the inner surface of the cylindrical housing. In addition, the eccentric shaft and the inner surface of the ring must be in contact. For this reason, the relative speed of an almost radially stationary ring and an eccentric shaft is very significant and depends on the engine speed. These circumstances can lead to significant difficulties in the implementation of the engine design, especially in an expansion machine, as well as an increase in friction losses.

Задача, которую решают авторы полезной модели, состоит в том, чтобы устранить отмеченные в прототипе недостатки.The problem that the authors of the utility model solve is to eliminate the drawbacks noted in the prototype.

Для устранения этих недостатков нами предлагается конструкция роторно-поршневой машины (фиг.1), состоящей из цилиндрического корпуса (1), кольцевого рабочего поршня (2), находящегося в постоянном контакте с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, герметичной заслонки (8), шарнирно соединенного с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса машины и наружной поверхностью кольцевого поршня. Внутри кольцевого поршня размещен рабочий вал - водило, состоящий из кривошипа (6) с выходным валом (7), на периферии вала - водилы закреплен свободно вращающийся ролик (3), находящийся в постоянном контакте с внутренней поверхностью кольцевого поршня. В корпусе машины размещены также окно для поступления или выхлопа рабочего тела машины (9) и впускной (или выпускной) клапан (10) - в зависимости от того -компрессор это или машина расширения. Машина закрыта крышками с элементами уплотнения торцевых поверхностей корпуса, кольцевого поршня и герметичной заслонки (фиг.1 не показаны). Для обеспечения надежного контакта кольцевого поршня с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и ролика с внутренней поверхностью поршня, ролик закреплен на вале - водиле посредством эксцентрикового валика (4), опирающегося на подпружиненные опоры (5), расположенные на вале - водиле. Это позволяет при сборке машины поворотом эксцентрикового валика осуществить надежный контакт между сопрягаемыми поверхностями и таким образом обеспечить необходимую герметичность контакта, а за счет подпружиненных опор, с помощью которых валик закреплен на валу - водиле, компенсировать в процессе работы неточности изготовления по соприкасающимся поверхностям корпуса и кольцевого поршня.To eliminate these shortcomings, we propose the design of a rotary piston machine (Fig. 1), consisting of a cylindrical body (1), an annular working piston (2), which is in constant contact with the inner cylindrical surface of the body, a tight shutter (8), pivotally connected with the inner surface of the cylindrical body of the machine and the outer surface of the annular piston. Inside the annular piston there is a working shaft - a carrier, consisting of a crank (6) with an output shaft (7), on the periphery of the carrier shaft there is a freely rotating roller (3), which is in constant contact with the inner surface of the annular piston. A window is also placed in the machine body for the intake or exhaust of the working fluid of the machine (9) and the inlet (or outlet) valve (10) - depending on whether it is a compressor or an expansion machine. The machine is closed with covers with sealing elements on the end surfaces of the housing, the annular piston and the airtight damper (Fig. 1 not shown). To ensure reliable contact of the annular piston with the inner surface of the cylindrical body and the roller with the inner surface of the piston, the roller is mounted on the carrier shaft by means of an eccentric roller (4) supported by spring-loaded bearings (5) located on the carrier shaft. This allows you to make reliable contact between the mating surfaces during assembly of the machine by turning the eccentric roller and thus ensure the necessary tightness of the contact, and due to the spring-loaded bearings with which the roller is mounted on the carrier shaft, compensate for manufacturing inaccuracies along the contacting surfaces of the housing and the annular piston.

Роторно-поршневая машина в режиме компрессора работает следующим образом. При вращении вала (7) ролик прокатывается по внутренней поверхности кольцевого поршня, прижимает его наружную поверхность к внутренней поверхности корпуса, обеспечивая герметичность контакта, и заставляет кольцевой поршень осуществлять возвратно поступательное движение. Благодаря этому изменяется объем, заключенный между внутренней поверхностью корпуса, наружной поверхностью кольцевого поршня и герметичной заслонкой. Это приводит к сжатию газа в этой полости, который затем выводится через выпускной клапан (10) в линию высокого давления компрессора. Одновременно из-за увеличения объема в противоположной полости машины в нее поступает газ низкого давления через впускной штуцер (окно) (9). В случае использования машины в качестве машины расширения для получения полезной работы в рабочую полость подается через впускной клапан газ высокого давления. Давление воздействует на герметичную заслонку, наружную поверхность кольцевого поршня. Возникшее усилие воздействует на ролик и создает момент но рабочем валу - водиле. Вал начинает вращаться, совершая полезную работу. После расширения и перемещения кольцевого поршня за счет поворота вала - водила открывается выхлопное окно, и газ вытесняется в систему низкого давления или в атмосферу.The rotary piston machine in compressor mode operates as follows. When the shaft (7) rotates, the roller rolls along the inner surface of the annular piston, presses its outer surface against the inner surface of the housing, ensuring tightness of contact, and forces the annular piston to reciprocate. Due to this, the volume enclosed between the inner surface of the housing, the outer surface of the annular piston and the airtight damper changes. This leads to compression of the gas in this cavity, which is then discharged through the exhaust valve (10) into the compressor high pressure line. At the same time, due to the increase in volume in the opposite cavity of the machine, low pressure gas enters into it through the inlet fitting (window) (9). In the case of using the machine as an expansion machine, high-pressure gas is supplied to the working cavity through the inlet valve to obtain useful work. Pressure acts on the airtight damper, the outer surface of the annular piston. The resulting force acts on the roller and creates a moment on the working shaft - the carrier. The shaft begins to rotate, doing useful work. After expansion and movement of the annular piston due to rotation of the carrier shaft, the exhaust window opens and gas is displaced into the low pressure system or into the atmosphere.

Техническим результатом является то, что в предлагаемой конструкции роторно - поршневой машины решаются проблемы обеспечения надежного контакта кольцевого поршня с внутренней поверхностью кольцевого корпуса.The technical result is that in the proposed design of a rotary piston machine, the problems of ensuring reliable contact of the annular piston with the inner surface of the annular housing are solved.

Обеспечивается минимальное трение между валом - водилом и внутренней поверхностью кольцевого поршня за счет использования свободно вращающегося ролика, размещенного на валу - водиле.Minimal friction is provided between the shaft - carrier and the inner surface of the annular piston due to the use of a freely rotating roller placed on the shaft - carrier.

Надежный контакт между сопрягаемыми поверхностями достигается при сборке машины за счет радиального смещения ролика поворотом эксцентрикового валика.Reliable contact between the mating surfaces is achieved during machine assembly due to the radial displacement of the roller by turning the eccentric roller.

В свою очередь эксцентриковый валик закреплен на валу - водиле в подпружиненных опорах, которые компенсируют при вращении вала - водилы возможные неточности изготовления сопрягающихся деталей.In turn, the eccentric roller is mounted on the shaft - the carrier in spring-loaded bearings, which compensate for the rotation of the shaft - the carrier of possible inaccuracies in the manufacture of mating parts.

Claims

1. A rotary piston machine, consisting of a cylindrical housing, a smaller diameter annular piston located inside the annular housing and in constant contact with its inner surface, a sealed shutter pivotally connected to the annular piston and cylindrical housing, a working shaft, intake and exhaust valves working fluid, end caps of the machine body with sealing elements of the end surfaces of the body, piston and damper, characterized in that the working shaft of the machine is made in the form of a carrier shaft with a lock lennym on the circumference of the shaft-driven by at least one freely rotating roller, being in constant contact with the inner surface of the annular piston.

2. The machine according to claim 1, characterized in that at least one roller is connected to the carrier shaft by an eccentric rotary roller mounted on the carrier shaft in sliding bearings.

3. The machine according to claim 1, characterized in that the sliding bearings of the eccentric roller are mounted on the driven shaft and are spring-loaded.