RU2062358C1 - Ротационно-пластинчатый компрессор - Google Patents

Abstract

Использование: в машиностроении, а именно в роторно-пластинчатых компрессорах. Сущность изобретения: компрессор содержит корпус, цилиндрический распределитель и ротор с разделительными пластинами. Распределитель закреплен на стойках и размещен на части длины ротора с образованием камер последовательного сжатия рабочей среды. Разделительные пластины выполнены со штоками и поршнями, размещенными в полостях ротора. Крышки в корпусе установлены с возможностью вращения, а штоковые и поршневые полости ротора сообщены посредством перепускных каналов с соответствующими каналами, выполненными в валу и роторе. 5 ил.

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к ротационно-пластинчатым компрессорам, и может быть использовано для сжатия и разряжения газов в различных областях техники.

Известен компрессор, в роторе которого сделана сквозная цилиндрическая полость. В эту полость через пазы ротора пропущены разделительные пластины, которые имеют одновременный контакт при скольжении, как по поверхности цилиндра, так и по поверхности цилиндрического распределителя. Распределитель, снабженный каналами впуска и выпуска рабочей среды, при этом установлен соосно в цилиндре на его торцевых крышках. Так как ротор посажен эксцентрично в цилиндре, то его полость с таким же эксцентриситетом охватывает распределитель. Образовавшиеся таким образом две серповидные области сжатия (разряжения) не увеличивают габаритных размеров компрессора (GB, N 2019941, F01C1/34, 1979).

Недостатком этого технического решения являются только двойное действие (повышение давления), а также, как и у обычных машин, ограниченная подача объема из-за ограниченной частоты вращения ротора.

Поясняя недостатки выбранного прототипа, необходимо дополнительно указать на сложность создания полноценного двойного действия в нем. Дело в том, что сжимаемые объемы рабочей среды должны быть хорошо согласованы друг с другом при передаче из одной цилиндрической полости в другую. В противном случае возникнут дополнительные потери мощности на приводе компрессора без достижения конечного результата.

Так как в прототипе серповидное пространство около распределителя не поддается резкому уменьшению, то согласовать объемы можно либо за счет изменения длины ротора, т.е. увеличения габаритов компрессора, либо изменением диаметра распределителя. Если в первом случае усложняется конструкция и растут габариты, то во втором случае возникает возможность нарушения геометрии обкатывания пластинами распределителя. Обкатывание пластинами распределителя может быть нормальным, если кромка пластины не отходит от него при скольжении, т.е. между такими параметрами, как вылет пластины, ее толщиной, эксцентриситетом посадки ротора существует оптимальная связь. В прототипе этот вопрос не совмещен (об этом подробнее ниже см. также фиг. 4).

В предложенном изобретении дается решение более простого согласования объемов. Для этого варьируется только глубина торцевой цилиндрической расточки в роторе с сохранением несущей перемычки, которая удерживает его сегменты с пластинами. Таких расточек может быть например две, с двух торцов ротора, что дает возможность создания трехступенчатой машины. Такое построение конструкции дает возможность создания даже четырех- и пятиступенчатой машины, для этого количество полостей одинакового диаметра увеличивается с обязательным сохранением разделяющих перегородок между ними, для изоляции друг от друга. Общая несущая перемычка между такими цилиндрическими расточками создает более прочную конструкцию ротора и используется также для посадки приводного вала.

С позиции конструкции, ротор прототипа из-за сквозной полости, с сегментами между пластинами, является деталью распадающейся, с проблематичным креплением самих сегментов друг с другом и передачей крутящего момента от привода.

Недостатком прототипа является также и ограниченная частота вращения ротора. Разделительные пластины ротора, как известно, при увеличении скорости вращения сильнее прижимаются центробежными силами к поверхности цилиндра. Мощность на приводе возрастает, в месте контакта пластин с поверхностью цилиндра возникают значительные износ и тепловыделения, а также растет и момент, защемляющий пластину в пазу, что грозит их заклиниванием в пазах и поломкой компрессора. Одновременно отсутствие рубашки охлаждения в прототипе снижает изотермический КПД машины, который характеризует совершенство термодинамического процесса ее работы. Без охлаждения компрессор может работать только до определенной степени сжатия по условиям ограничения повышения температуры рабочей среды. Поэтому в прототипе по всем указанным причинам невозможно получить высокое конечное давление, большую производительность, а также высокий изотермический КПД.

Технической задачей изобретения является устранение недостатков прототипа и создание высокооборотного, а значит компактного ротационно-пластичного компрессора, с возможностью высокой степени сжатия рабочей среды и более высоким изотермическим КПД.

Технический результат достигается тем, что компрессор снабжен ротором, который имеет согласованные объемы сжатия, расположенные в его торцевой цилиндрической полости, размещенной на части длины ротора. Распределитель может устанавливаться как с одного, так и с двух торцов ротора на стойках, которые снабжаются каналами впуска и выпуска рабочей среды и сообщаются между собой через согласованные объемы. В стойках имеются также и соосные отверстия для размещения вала ротора и при возможности его подшипников, это позволит сделать вал более жестким и менее нагруженным изгибающими силами. Чтобы снизить энергозатраты на приводе, разделительные пластины снабжаются механизмом разгрузки, который состоит из штока, прикрепленного к пластине в ее центре тяжести и поршня. Такой механизм разгрузки противодействует при размещении его в полостях ротора центробежным силам, возникающим в пластинах при их вращении. Возможность создания противодавления в штоковой полости такого механизма разгрузки позволяет получить дополнительное усилие, уменьшить площадь поршня и его массу, при дефиците места его размещения и также регулировать в широких пределах такое противодействие центробежным силам, возникающим в пластинах в процессе работы. Разделительные пластины устанавливаются на опорные поверхности торцевых крышек, диаметр которых несколько меньше диаметра неподвижной средней части цилиндра, к поверхности которого они установлены с уплотняющим зазором. Эти торцевые крышки установлены в подшипниках качения и пластины ротора имеют возможность вращаться вместе с ними. В результате этого пластины не касаются поверхности неподвижного цилиндра, а их износ определяется лишь ходом по опорной поверхности торцевой крышки, равным двойному эксцентриситету за один оборот ротора, что в несколько десятков раз меньше, чем в прототипе. Кроме того, снабжение цилиндра рубашкой охлаждения увеличивает изотермический КПД компрессора.

Сущность изобретения поясняется следующими графическими материалами:
На фиг.1 показан продольный разрез ротационно-пластинчатого компрессора; на фиг. 2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 вид 1 на фиг.2; на фиг.5 показаны разделительные пластины с поршнями и штоками.

Ротационно-пластинчатый компрессор состоит из корпуса 1, в котором размещен цилиндр 2 диаметром D с рубашкой охлаждения 3. Внутри цилиндра 2 с эксцентриситетом "e" установлен ротор 4, который образует в нем серповидное пространство A (см. фиг.2 разрез А-А), ротор 4 установлен на вал 5 и имеет в своих радиальных пазах разделительные пластины 6, которые проходят в цилиндрическую полость, выполненную на части длины ротора 4. Внутри этой полости размещен цилиндрический распределитель 7, установленный на стойке 8 соосно с цилиндром 2, который образует в роторе 4 новое серповидное пространство Б (см. фиг. 2 разрез А-А), распределитель 7 диаметром d оборудован каналами впуска и выпуска рабочей среды, которые соединены с нагнетательным патрубком цилиндра 2 и с потребителем. Аналогичные каналы имеет стойка 8, удерживающая распределитель 7 в полости ротора 4, при этом она закреплена на торцевой части цилиндра 2. Распределитель 7 закрыт крышкой 9, имеющей отверстие, а стойка 8 пропущена к нему через это отверстие. От стойки 8 отведены каналы 10 и 11, которые пропущены через рубашку охлаждения 3. Разделительные пластины 6 ротора 4 установлены на опорные поверхности торцевых крышек 12. Сами крышки 12 установлены с уплотняющими торцевыми зазорами относительно цилиндра 2 на подшипниках качения 13, размещенные в цилиндре 2. Вал 5 также установлен на подшипниках качения 14, размещенных в крышках 15. Таким образом, общее количество подшипников качения компрессора может быть минимальным.

В роторе 4, в его полостях, размещены механизмы разгрузки пластины 6 в виде поршней со штоками 16 (см. фиг.3, разрез Б-Б), закрепленной в центре тяжести каждой пластины 6, такое крепление дополнительно, как вариант, показано на фиг.5. Для возможности создания противодавления в поршневой полости вала 5 и ротора 4 имеются перепускные каналы 17, соединенные с поршневой полостью механизма разгрузки каждой пластины 6, а штоковая полость снабжена каналом 18 от соответствующего распределителя 7 (см. фиг.1).

В ротационно-пластинчатом компрессоре имеется место с другого торца ротора 4, для построения трехступенчатого компрессора, положение B (см. фиг. 1). Построение большего количества ступеней сжатия обосновывается либо увеличением степени сжатия, либо увеличением объема всасывания за счет подключения торцевых полостей 2 и 3 ступени непосредственно к атмосфере и т. д.

Ротационно-пластинчатый компрессор работает следующим образом.

Приводной двигатель, соединенный соосно либо через кинематическую пару с валом 5, начинает вращать его вместе с ротором 4 и разделительными пластинами 6. Пластины 6 опираются при вращении на опорную поверхность торцевых крышек 12, которые установлены на подшипниках качения 13 и вовлекают их во вращение. Между пластинами 6 и цилиндром 2, установленным в корпусе 1, сохраняется небольшой зазор для исключения скольжения. Одновременно торцевые крышки 12 имеют уплотняющие торцевые зазоры с цилиндром 2 для уменьшения утечек рабочей среды из зоны нагнетания. Здесь могут быть применены разнообразные виды уплотнений (лабиринтные, скользящие кольца и т.д.).

Относительная скорость скольжения разделительной пластины 6 по опорной поверхности торцевой крышки 12 при вращении вала и определяется частотой вращения ротора 4 и эксцентриситетом "e". За один оборот ротора 4 пластина 6 проходит по опорной поверхности торцевой крышки 12 путь, равный ≈2e (см. фиг.2, разрез А-А).

Рабочая среда засасывается при этом во входной патрубок и переводится разделительными пластинами ротора 4 в область нагнетательного патрубка цилиндра 2 и далее поступает в канал 10 и по каналам стойки 8 в распределитель 7, где дожимается до определенного давления. Это происходит таким образом: в роторе 4 имеется цилиндрическая полость, выполненная на части его длины полость Б (см. фиг.2, разрез А-А). В эту полость Б через пазы ротора 4 проходят разделительные пластины 6, которые при вращении образуют своими внутренними кромками круговую цилиндрическую поверхность. Кромки при вращении вокруг распределителя 7 не должны отделяться от него. Это достигается правильным геометрическим соотношением всех размеров элементов конструкции, на фиг.4 показана увеличенная зона 1, выделенная из разреза А-А, с разделительной пластиной 6, где видно, что эффективность нагнетания в полости Б будет наибольшей, если не будет появляться зазор Δt между пластиной 6 и цилиндрическим распределителем 7. Это достигается, как видно на фиг.4, если толщина пластины 6 согласуется с ее вылетом, эксцентриситетом "e" и ее кромочными радиусами r t/2, где t(D d)/2, т.е. пока кромка пластины 6 не выходит за линию C, герметичность ячеек полости Б сохраняется. На фиг.4 показано также появление кромочного зазора Dt при рассогласовании вышеуказанных размеров элементов, например, при увеличенном эксцентриситете l₁.

В эту образованную вращением пластин 6 правильную геометрическую круговую поверхность и устанавливается цилиндрический распределитель 7, снабженный каналами впуска и выпуска рабочей среды. В объеме компрессора создаются два серповидных пространства А и Б, при согласовании которых достигается необходимая степень сжатия.

Затем рабочая среда, сжатая общими разделительными пластинами 6 в полости Б, второй раз поступает по каналам 11 к потребителю через рубашку охлаждения 3.

При работе компрессора в полости Б ротора 4 разделительные пластины 6 не прижимаются к цилиндрическому распределителю 7 и от этого не тратится дополнительная мощность на приводе компрессора. Это качество сохраняется и при размещении в полости ротора 4, например, с другого его торца дополнительной третьей ступени сжатия положение B (см. фиг.1), а также других дополнительных ступеней, размещенных в компрессоре в обоснованных случаях. При использовании третьей ступени сжатия канал 11 подключается к дополнительному распределителю, установленному в положении B, где процесс сжатия рабочей среды повторяется третий раз. Таким образом, при соответствующей герметизации всех элементов конструкции и промежуточном охлаждении рабочей среды, можно получить высокое конечное сжатие или разрежение в компрессоре.

Для уменьшения износа пластины 6 в зоне контакта с опорной поверхностью торцевой крышки 12 при вращении ротора 4 в нем предусмотрен механизм разгрузки. Он прост и представляет собой поршень со штоком 16, размещенный по оси действия центробежной силы, возникающей при вращении пластин 6, штоки 16 закреплены в центре тяжести каждой пластины 6, чтобы нагрузка на торцевые кольца 12 была равномерной при работе машины. Вариант крепления механизма разгрузки показан на фиг.5.

Чтобы увеличить разгрузочное действие представленного механизма, штоковая полость, размещенная в полостях ротора 4, подключается при работе компрессора к распределителю 7 или распределителю последующей ступени. Сжатый газ, поданный с распределителя в штоковую полость через каналы 18, создает дополнительное тянущее усилие, что может способствовать подбору определенного оптимального давления в штоковой полости, а также снижению площади поршня и соответственно его массы, этими мероприятиями можно значительно уменьшить износ пластин 6 от относительного трения по опорной поверхности торцевых крышек 12. Для создания перепада давления и отвода части сжатого газа, попавшего в поршневую полость, в роторе 4 и вале 5 имеются перепускные каналы 17. При хорошей пригонке диаметров поршневых полостей с поршнями механизма потери от перепуска рабочей среды могут быть минимальны. В обоснованных случаях разгрузка за счет противодавления может отсутствовать, но перепускные каналы должны сохраняться для удаления масла, попадающего в поршневую полость. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Claims (1)

1. Ротационно-пластинчатый компрессор, содержащий корпус, соосно размещенный в нем цилиндрический распределитель с каналами впуска и выпуска рабочей среды, эксцентрично установленный между корпусом и распределителем и закрепленный на валу ротор с радиальными пазами, в которых с возможностью одновременного контакта с поверхностями корпуса и распределителя установлены разделительные пластины, отличающийся тем, что компрессор снабжен торцевыми крышками, охватывающей корпус рубашкой охлаждения и стойками, на последних закреплен распределитель, размещенный на части длины ротора с образованием камер последовательного сжатия рабочей среды, разделительные пластины выполнены со штоками и поршнями, размещенными в полостях ротора, а в стойках выполнены соосные отверстия, в которых установлен вал, при этом крышки размещены в корпусе с возможностью вращения, а штоковые и поршневые лопасти ротора сообщены посредством перепускных каналов с соответствующими каналами, выполненными в валу и роторе.

Images