RU2109988C1

RU2109988C1 - Rotary machine

Info

Publication number: RU2109988C1
Application number: RU96105743A
Authority: RU
Inventors: Андрей Рудольфович Сплошнов
Original assignee: Андрей Рудольфович Сплошнов
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1996-03-26
Publication date: 1998-04-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering; drives of mechanisms; operation as pump or compressor for transferring working medium. SUBSTANCE: step-shaped blades-pockets 8 made on outer side of rotor 6 are arranged so that their working zones, being acted upon by working medium, provide building up of torque which reduces consumption of working medium, increases efficiency of machine and its reliability and service life. EFFECT: simplified design, reduced maintenance and service expenses. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к роторным машинам специального назначения. The invention relates to mechanical engineering, in particular to rotary machines for special purposes.

Известны различные варианты роторных машин, в которых усилие от рабочего тела передается ротору различных конструкций и приводит его в движение. При этом рабочее тело (газ, жидкость) находится в движении и в процессе этого движения воздействует на конструктивные элементы ротора, приводя его во вращение, т. е. создавая крутящий момент на выходном валу машины. Рабочее тело изменяет свои физико-механические характеристики и вектор скорости. К таким техническим решениям относятся, в частности, машины по изобретениям: патент ФРГ N 1775395, кл. F 01 D 15/06, опублик. 1976 г.; а.с. СССР N 1745983, кл. F 01 D 15/06, 07.07.92; N 1239403, кл. F 04 B 51/00, 23.06.86; N 1239405, кл. F 04 C 7/00, 23.06.86; N 1681053, кл. F 04 C 7/00, 30.09.91; N 1733655, кл. F 15 B 12/12, 15.05.92; N 1268767, кл. F 02 B 75/32, 07.11.86; патент США N 2439717, кл. 60-39.14, опублик. 1948 г. Various variants of rotary machines are known in which the force from the working fluid is transmitted to the rotor of various designs and sets it in motion. In this case, the working fluid (gas, liquid) is in motion and in the process of this movement acts on the structural elements of the rotor, causing it to rotate, i.e., creating a torque on the output shaft of the machine. The working fluid changes its physical and mechanical characteristics and the velocity vector. Such technical solutions include, in particular, the machines according to the inventions: the Federal Republic of Germany patent No. 1775395, class. F 01 D 15/06, published. 1976; A.S. USSR N 1745983, class F 01 D 15/06, 07/07/92; N 1239403, CL F 04 B 51/00, 06/23/86; N 1239405, CL F 04 C 7/00, 06/23/86; N 1681053, cl. F 04 C 7/00, 09/30/91; N 1733655, cl. F 15 B 12/12, 05/15/92; N 1268767, cl. F 02 B 75/32, 11/7/86; US patent N 2439717, CL. 60-39.14, published. 1948

Известно применение аналогичных конструкций в качестве двигателей жидкостно-кольцевых энергетических машин, компрессоров, насосов и т.п., принцип работы которых основан на создании внутри рабочей камеры, роль которой выполняют объемы корпуса или ротора, разных по величине технических характеристик рабочего тела (газ, жидкость) (например, а.с. СССР N 1498951, кл. F 04 C 2/344, 07.08.89). It is known to use similar designs as engines of liquid-ring power machines, compressors, pumps, etc., the principle of operation of which is based on the creation inside the working chamber, the role of which is performed by the volume of the body or rotor, of different technical characteristics of the working fluid (gas, liquid) (for example, AS USSR N 1498951, class F 04 C 2/344, 08/07/89).

Однако все эти конструкции сложны, трудоемки в изготовлении, дороги и ненадежны, так как состоят из большого числа различных деталей, имеют низкий КПД. However, all these designs are complex, labor-consuming to manufacture, expensive and unreliable, as they consist of a large number of different parts, have low efficiency.

Известна также жидкостно-кольцевая машина, содержащая полый корпус барабанного типа и размещенный в нем концентрично с зазором полый ротор, установленный с возможностью вращения и снабженный серповидными перегородками, служащими исполнительными органами при передаче крутящего момента на ротор машины и перемещения рабочего тела в объеме ротора [1]. Also known is a liquid-ring machine containing a hollow drum-type housing and a hollow rotor arranged concentrically with a gap, rotatably mounted and provided with crescent-like partitions serving as executive bodies when transmitting torque to the machine rotor and moving the working fluid in the rotor volume [1 ].

Однако и данная конструкция имеет недостатки, а именно рабочее тело (жидкость), чтобы совершить работу по вращению ротора, перетекает из одного объема в другой по системе сложных каналов внутри рабочего объема ротора, что требует постоянного изменения ее характеристик, на которое затрачивается дополнительная работа, что снижает общий КПД машины. However, this design also has drawbacks, namely, the working fluid (liquid), in order to perform work on the rotation of the rotor, flows from one volume to another through a system of complex channels inside the working volume of the rotor, which requires a constant change in its characteristics, which requires additional work, which reduces the overall efficiency of the machine.

Известна также роторно-пластинчатая шарнирная машина, близкая по сути к заявляемой, содержащая корпус, концентрично размещенный в нем с возможностью вращения полый ротор с радиальными пластинами с возможностью осуществления возвратно-поступательного перемещения внутри ротора (а.с. СССР N 1498953, кл. F 04 C 9/00, 07.08.89). Also known is a rotary-plate articulated machine, essentially close to the claimed one, containing a housing, a hollow rotor with radial plates concentrically placed therein with the possibility of rotation with the possibility of reciprocating movement inside the rotor (AS USSR N 1498953, class F 04 C 9/00, 08/07/89).

Однако данная машина имеет небольшой КПД и надежность за счет механических потерь на перемещение рабочего тела и исполнительных органов машины. However, this machine has a small efficiency and reliability due to mechanical losses on the movement of the working fluid and the executive bodies of the machine.

Известна также жидкостно-кольцевая машина, принятая за прототип, содержащая корпус с торцовыми крышками, в которых выполнены нагнетательные и всасывающие окна, эксцентрично установленное в корпусе рабочее колесо с лопатками, образующими рабочие ячейки и выполненный в одной из торцовых крышек перепускной канал, подключенный к рабочей ячейке между нагнетательным и всасывающим окнами по ходу вращения рабочего колеса и нагнетательному окну. В этой машине для повышения КПД перепускной канал подключен к нагнетательному окну в его средней части на участке, имеющем угловую протяженность 1/3 угловой протяженности нагнетательного окна [2]. Also known is a liquid ring machine adopted as a prototype, comprising a housing with end caps, in which discharge and suction windows are made, an impeller eccentrically mounted in the housing with blades forming the working cells and a bypass channel connected to the working channel made in one of the end caps cell between the discharge and suction windows along the rotation of the impeller and the discharge window. In this machine, to increase the efficiency, the bypass channel is connected to the discharge window in its middle part in a section having an angular length of 1/3 of the angular length of the discharge window [2].

Однако и данная конструкция обладает существенными недостатками. Большие потери на протекание жидкости и пережатие газа в рабочих ячейках ротора, а также необходимость обеспечения постоянного движения и обновления жидкости в объеме корпуса машины ограничивают надежность и КПД машины, усложняют и удорожают ее конструкцию. However, this design has significant disadvantages. Large losses in the flow of fluid and squeezing of gas in the working cells of the rotor, as well as the need to ensure constant movement and renewal of fluid in the volume of the machine body limit the reliability and efficiency of the machine, complicate and cost its design.

Технической задачей изобретения является повышение КПД, надежности машины и срока ее службы. An object of the invention is to increase the efficiency, reliability of the machine and its service life.

Указанная задача достигается тем, что в заявляемой роторной машине, содержащей корпус барабанного типа, оснащенного впускным и выпускным окнами (патрубками), и установленный в корпусе с радиальным зазором к корпусу полый ротор с возможностью вращательного движения, рабочее тело (газ, жидкость) осуществляет силовое воздействие на ротор, вращает его, т.е. передает крутящий момент на выходной вал ротора без перетекания из одного объема в другой, т. е. в стационарном состоянии, не изменяя своих физико-технических характеристик. Тем самым осуществляя передачу движения без посредства сложных рабочих исполнительных органов, не увеличивая механические потери на перемещение рабочего тела и его пополнение внутри машины. Такой эффект передачи движения рабочим телом, находящимся в стационарном состоянии, осуществляется за счет выполнения (обеспечения) разности давлений в замкнутых контурах полого ротора и кольцевого концентрического зазора между ротором и корпусом машины, а также тем, что на наружной поверхности барабана ротора выполнены ступенеобразные "карманы-лопатки", расположенные таким образом, что их рабочие зоны при воздействии на них рабочим телом обеспечивают появление крутящего момента вокруг продольной оси ротора. This problem is achieved by the fact that in the inventive rotary machine containing a drum-type housing equipped with inlet and outlet windows (nozzles), and a hollow rotor installed in the housing with a radial clearance to the housing with the possibility of rotational movement, the working fluid (gas, liquid) provides power impact on the rotor, rotates it, i.e. transmits torque to the output shaft of the rotor without flowing from one volume to another, i.e. in a stationary state, without changing its physical and technical characteristics. Thus, carrying out the transmission of motion without the help of complex working executive bodies, without increasing the mechanical loss of movement of the working fluid and its replenishment inside the machine. Such an effect of motion transmission by a stationary working fluid is achieved by performing (providing) a pressure difference in closed circuits of the hollow rotor and an annular concentric gap between the rotor and the machine body, as well as by the fact that step-like "pockets" are made on the outer surface of the rotor drum "blades", located in such a way that their working areas when exposed to a working fluid provide the appearance of torque around the longitudinal axis of the rotor.

На фиг. 1 изображена предлагаемая машина; на фиг. 2 - то же, вид сбоку, разрез; на фиг. 3 - общий вид и схема приложения сил. In FIG. 1 shows the proposed machine; in FIG. 2 - the same, side view, section; in FIG. 3 - general view and scheme of the application of forces.

Роторная машина содержит корпус барабанного типа 1 с впускным 2 и выпускным 3 патрубками с запорными вентилями 4 и 5, эксцентрично установленный внутри корпуса полый ротор (рабочее колесо) 6 барабанного типа с возможностью вращения и снабженный впускным-выпускным патрубком 7, расположенным снаружи корпуса машины (в частности в торцовой части выходного вала) и лопатками-карманами 8, расположенными на наружной поверхности ротора таким образом, что их опорная рабочая поверхность 9 расположена с одной стороны осевой линии ротора и параллельна ей. На выходном валу ротора установлен тормоз 10. В кольцевом зазоре 11 между ротором и корпусом машины, а также во внутренней полости 12 ротора находится рабочее тело (жидкость или газ). Причем давление P₂ внутри ротора меньше давления P₁ в кольцевом зазоре. Рабочие опорные поверхности 9 лопаток-карманов имеют площадь, большую чем площадь поверхности 13 лопаток-карманов, и могут быть выполнены гибкими из упругого материала с возможностью прогиба.The rotary machine comprises a drum-type housing 1 with inlet 2 and exhaust 3 nozzles with shut-off valves 4 and 5, a hollow rotor (impeller) 6 of a drum type rotatably mounted inside the housing and provided with an inlet-outlet nozzle 7 located outside the machine housing ( in particular in the end part of the output shaft) and blades-pockets 8 located on the outer surface of the rotor so that their supporting working surface 9 is located on one side of the axial line of the rotor and parallel to it . A brake 10 is installed on the output shaft of the rotor. In the annular gap 11 between the rotor and the machine body, as well as in the inner cavity 12 of the rotor, there is a working fluid (liquid or gas). Moreover, the pressure P ₂ inside the rotor is less than the pressure P ₁ in the annular gap. The working supporting surfaces 9 of the shoulder blades have an area larger than the surface area 13 of the shoulder blades and can be made flexible from an elastic material with the possibility of deflection.

Роторная машина работает следующим образом. Rotary machine operates as follows.

При равенстве давлений P₁ и P₂ в рабочих камерах корпуса и ротора машина находится в состоянии покоя. Для начала движения необходимо, чтобы через впускной патрубок корпуса была подана дополнительная порция рабочего тела внутрь корпуса машины, повысив тем самым давление в ней, или через впускной-выпускной патрубок ротора была откачена часть рабочего тела из внутреннего замкнутого объема ротора, понизив тем самым давление внутри ротора. В этот момент на рабочих опорных поверхностях лопаток ротора со стороны кольцевого зазора в корпусе машины создаются избыточное давление и движущая сила F₁, которая равна
F₁ = P₁ • S₁,
где S₁ - площадь рабочей опорной поверхности лопатки,
а внутри ротора - противодавление, которое создает силу сопротивления движению F₂, равную
F₂= P₂ • S₂,
а так как P₁ > P₂ и S₁ = S₂, то F₁ > F₂. Разность этих сил Δ F = F₁ - F₂ создает вращающий момент с плечом l и поворачивает ротор вокруг своей оси, начиная его вращательное движение. Таким образом происходит вращение ротора в стационарном силовом поле рабочего тела неизменного объема, заключенного в кольцевом зазоре корпуса машины. При этом расход рабочего тела в корпусе и роторе равен нулю, если пренебречь потерями через уплотнения. При обеспечении условия P₁ < P₂ осуществляется реверс машины. При этом машина предварительно затормаживается тормозом.If the pressures P ₁ and P _{2 are} equal in the working chambers of the housing and the rotor, the machine is at rest. To start the movement, it is necessary that an additional portion of the working fluid is supplied through the inlet pipe of the body into the machine body, thereby increasing the pressure in it, or a part of the working fluid is pumped out of the internal closed volume of the rotor through the inlet-outlet pipe of the rotor, thereby lowering the pressure inside rotor. At this moment, on the working supporting surfaces of the rotor blades from the side of the annular gap in the machine body, excessive pressure and a driving force F _{1 are created} , which is equal to
F ₁ = P ₁ • S ₁ ,
where S ₁ - the area of the working supporting surface of the scapula,
and inside the rotor - back pressure, which creates a force of resistance to movement F ₂ equal to
F ₂ = P ₂ • S ₂ ,
and since P ₁ > P ₂ and S ₁ = S ₂ , then F ₁ > F ₂ . The difference of these forces Δ F = F ₁ - F ₂ creates a torque with a shoulder l and rotates the rotor around its axis, starting its rotational movement. Thus, the rotor rotates in a stationary force field of a working fluid of an unchanged volume, enclosed in an annular gap of the machine body. In this case, the flow rate of the working fluid in the housing and rotor is zero, if we neglect the losses through the seals. Providing the conditions P ₁ <P ₂ is the reverse of the machine. In this case, the machine is pre-braked by the brake.

В случае реверсивной работы машина может работать в режиме насоса для перекачки рабочего тела, компрессора, при этом должны быть открыты оба патрубка в корпусе машины (впускной и выпускной). Выполнение лопаток ротора из упругого материала позволяет начать движение при меньшем перепаде давлений P₁ и P₂, так как за счет упругости опорная поверхность лопаток прогибается и "увлекает" за собой ротор, "втягивая" его во вращательное движение вокруг оси.In the case of reverse operation, the machine can operate in pump mode for pumping a working fluid, a compressor, and both pipes in the machine body (inlet and outlet) must be open. The execution of the rotor blades of elastic material allows you to start moving at a lower pressure drop P ₁ and P ₂ , since due to the elasticity, the supporting surface of the blades bends and “carries” the rotor along with it, “drawing” it into rotational motion around the axis.

Перечисленные мероприятия позволяют снизить расход рабочего тела, повысить КПД машины, ее надежность и срок службы, а также за счет простоты конструкции снизить стоимость и эксплуатационные затраты. Минимальные затраты рабочего тела, отсутствие больших потерь на его транспортировку внутри машины, стабильность силового режима работы машины способствуют повышению ее экономичности. These measures can reduce the consumption of the working fluid, increase the efficiency of the machine, its reliability and service life, as well as reduce the cost and operating costs due to the simplicity of the design. The minimum cost of the working fluid, the absence of large losses for its transportation inside the machine, the stability of the power mode of the machine contribute to its efficiency.

Claims

1. A rotary machine, comprising a housing with inlet and outlet windows, an eccentrically mounted rotor therein with working cells on its outer surface, characterized in that the working cells of the rotor are made in the form of pockets buried inside the rotor, the supporting working surfaces of which are located on one side of the axial line of the rotor and in parallel with it.

2. The machine according to claim 1, characterized in that the area of the supporting working surface of the pockets is greater than the area of the other surface of these pockets.

3. The machine according to claims 1 and 2, characterized in that the supporting working surfaces of the pockets are made of flexible flexible material with the possibility of deflection.