RU2110699C1 - Роторный компрессор - Google Patents

Abstract

Роторный компрессор предназначен для нагнетания воздуха и может быть использован в двигателях внутреннего сгорания. Корпус роторного компрессора содержит три герметично отделенных корпусных узла центрального корпуса 1 и две параллельные компрессионные камеры 2, 4. Ведущие роторы 15, 16 имеют зубья и перед ними по ходу вращения продольные пазы. Ведомые роторы 17, 18 имеют впадины и перед ними соответствующие продольные выступы. Ведущие роторы 15, 16 выполнены разборными и содержат тело ротора и два плавающих зуба, установленных в паз ротора. Профили зубьев и впадин роторов 15, 16, 17, 18 выполнены по эмпирической зависимости. Поверхность зубьев ведущих роторов 15, 16 выполнена в виде трех поверхностей в параметрическом виде относительно осей прямоугольной системы координат: эпициклоиды, окружности, удлиненной эпициклоиды, а поверхность впадин ведомых роторов 17, 18 - трех соответствующих поверхностей: удлиненной эпициклоиды, окружности, эпициклоиды, что обеспечивает плавность вращения роторов и увеличивает производительность роторного компрессора, надежность, износостойкость контактирующих пар роторов, плавно повышая нагнетаемый воздух без пульсации. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к машиностроению, к роторным машинам, преимущественно компрессорам, и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания и холодильной технике.

Известен детандер, содержащий корпус с размещенными внутри двумя роторами, ведущий из которых снабжен внутренним газораспределительным цилиндром и зубьями на наружной поверхности, входящими во впадины ведомого ротора. С целью повышения производительности и коэффициента полезного действия на ведущем роторе перед зубьями по ходу вращения выполнены продольные пазы, а на ведомом перед впадинами - соответствующие продольные выступы с тем, чтобы обеспечить дополнительное зацепление роторов (авт. св. SU 248713, кл. F 04 C 18/00, 1969).

Наиболее близким к предложенному является техническое решение, в котором роторные объемные машины, например компрессоры, содержащие корпус и расположенные в нем прямозубые роторы, по крайней мере один из которых на зубьях имеет каналы, а другой - ответные выступы. Однако в известных роторах величина зазора между расточкой корпуса и наружным диаметром ведомого ротора связана с площадью окна нагнетания: любое увеличение зазора ведет к резкому уменьшению площади окна нагнетания. В результате при обычных степенях повышения давления в ступени компрессора (n=2 + 4) удовлетворительная площадь окна нагнетания может быть получена только за счет малого зазора между наружными диаметрами ведомого ротора и корпуса. Но в этом случае малая площадь сечения канала, соединяющего впадину между зубьями ведущего ротора, в которой происходит сжатие, со впадиной ведомого ротора, не позволяет уравнять давления между ними. При увеличении же зазора окно нагнетания на этих степенях повышения давления становится таким, что происходит резкое возрастание гидравлических потерь и существенно снижается КПД компрессора (авт. св. SU, 513160, кл. F 04 C 18/14, F 01 C 1/14, 1976).

Технической задачей изобретения является повышение КПД роторного компрессора, устранение пульсации давления.

Указанная техническая задача решается за счет того, что роторный компрессор, содержащий корпус с полостями расширения и размещенным в нем ведущим ротором с зубьями и пазами, и ведомым ротором с впадинами и выступами, синхронизирующие шестерни, закрепленные на валах роторов, а также впускные и выпускные отверстия, снабжен дополнительными ведущим и ведомым роторами, корпус выполнен из трех герметично отделенных корпусных узлов - центрального и двух параллельных компрессорных камер, пазы и впадины выполнены продольными и расположены по ходу вращения перед зубьями ведущего ротора и впадинами ведомого ротора соответственно, причем ведущие роторы выполнены разборными, состоящими из тела ротора и двух зубьев, поверхность зуба которых состоит из трех поверхностей в параметрическом виде относительно осей прямоугольной системы координат:
эпициклоиды
X = 120 cos (f₁ + 66,926) - 60 cos (2f₁ + 66,926)
Y = 120 sin (f₁ + 66,926) - 60 sin (2f₁ + 66,926)
0 < f₁ < 23^o,
окружности
X = 24 sin f₂
y = 24 cos f₂ + 60
0 < f₂ < 78,5^o
удлиненной эпициклоиды
X = 120 sin (f₃ - 9,687) - 67,5 sin (2f₃ - 9,687)
Y = 120 cos (f₃ - 9,687) - 67,5 cos (2f₃ - 9,687)
27,267^o < f₃ < 43^o
Впадины ведомых роторов соответственно:
удлиненной эпициклоиды
X = -120 sin t₁ + 84 sin 2t₁
Y = 120 cos t₁ - 84 cos 2t₁
0 < t₁ < 33
окружности
X = -24 sin t₂
Y = 24 cos t₂ + 60^o
0 < t₂ < 78^o
эпициклоиды
X = 120 cos (t₃ + 69,0021) - 60 cos (2t₃ + 69,0021)
Y = 120 sin (t₃ + 69,0021) - 60 sin (2t₃ + 69,0021)
0 < t₃ < 21^o.

Профили зубьев и впадин роторов выполнены по эмпирической зависимости, полученной экспериментальным путем. Такая форма зубьев и впадин роторов обеспечивает плавность вращения роторов и увеличивает производительность роторного компрессора, надежность, износостойкость контактирующих пар роторов, плавно повышая нагнетаемый воздух без пульсаций. Кроме того, зубья роторов могут быть выполнены плавающими для компенсации зазоров между ведущими и ведомыми роторами. Кроме того, зубья и торцы роторов могут быть покрыты антифрикционным самосмазывающим материалом, например графосодержащим, имеющим маленький коэффициент линейного расширения, это увеличивает точность сопряжения зубьев и впадин ведомого и ведущего роторов, при этом производительность роторного компрессора остается неизменной, а КПД повышается.

С целью повышения конечного давления со стороны выхлопа компрессорных камер в крышках, установленных со стороны ведомых роторов, размещены газораспределительные втулки, имеющие изменяющиеся впускные отверстия, через которые происходит нагнетание воздуха с переменной расходной характеристикой, зависящей от угла φ между кромкой отверстия впадин ведущего ротора и кромкой отверстия газораспределительных втулок. В результате уменьшения расхода нагнетаемого воздуха в компрессионных камерах повышается его конечное давление.

На фиг. 1 изображен роторный компрессор, продольный вертикальный разрез (повернутый); на фиг. 2 - разрез A-A на фиг. 1; на фиг. 3 - ведомый ротор на разрезе A-A фиг. 1; на фиг. 4 - разрез B-B на фиг. 1; на фиг. 5 - общий вид компрессора.

Корпус роторного компрессора выполнен из трех герметично отделенных стальных корпусных узлов центрального корпуса 1, камеры компрессорной 1-й ступени 2 с рабочей полостью 3, и камеры компрессорной 2-й ступени 4 с рабочей полостью 5. Компрессорные камеры отделены от центрального корпуса 1 плитами 6, 7, на которых закреплены опоры 8, 9, входящие в расточки центрального корпуса 1. В гнездах опор 8, 9 установлены шарикоподшипники 10, 11, на которых вращаются ведущий вал 12 и ведомый вал 13, связанные синхронизирующей зубчатой передачей 14.

На концах валов 12 и 13, входящих в компрессионные камеры, закреплены ведущие 15 и 16 и ведомые 17 и 18 роторы. Ведущие роторы 15, 16 имеют зубья и перед ними по ходу вращения продольные пазы. Ведомые роторы 17, 18 имеют впадины и перед ними соответствующие продольные выступы. Ведущие роторы 15, 16 выполнены разборными, состоящими из тела ротора и двух плавающих зубьев, установленных в пазах ротора.

Зубья и впадины роторов состоят из трех расчетных профилей, ограниченных углами f₁t₁; f₂t₂; f₃t₃. Расчетные профили зубьев ведущих роторов 15, 16 выполнены тремя кривыми в параметрическом виде относительно осей прямоугольной системы координат и имеют следующий вид:
Участок ДЕ - эпициклоида:
X = 120 cos (f₁ + 66,926) - 60 cos (2f₁ + 66,926)
Y = 120 sin (f₁ + 66,926) - 60 sin (2f₁ + 66,926)
0 < f₁ < 23^o
Участок ЕЖ - окружность:
X = 24 sin f₂
Y = 24 cos f₂ + 60
0 < f₂ < 78,5^o
Участок ЗЖ - удлиненная эпициклоида
X = 120 sin (f₃ - 9,687) - 67,5 sin (2f₃ - 9,687)
Y = 120 cos (f₃ - 9,687) - 67,5 cos (2f₃ - 9,687)
27,267^o < f₃ < 43^o
а впадины ведомых роторов соответственно:
ВГ - удлиненная эпициклоида
X = -120 sin t₁ + 84 sin 2t₁
Y = 120 cos t₁ - 84 cos 2t₁
0 < t₁ < 33
ГД - окружность:
X = -24sint₂
Y = 24cost₂ + 60^o
0 < t₂ < 78^o
ЕЖ - эпициклоида:
X = 120 cos (t₃ + 69,0021) - 60 cos (2t₃ + 69,0021)
Y = 120 sin (t₃ + 69,0021) - 60 sin (2t₃ + 69,0021)
0 < t₃ < 21^o.

Зубья ведомых роторов поджимаются пружинами 19, установленными в теле роторов. Зубья роторов выполнены из графитосодержащих материалов. Для получения возможности регулирования взаимного расположения роторов 15, 16, 17, 18 друг относительно друга роторы 15, 16 закреплены на ведущем валу с помощью дисков 20, 21. С наружных сторон камеры 2 и 4 закрываются крышками 22, 23. С целью повышения конечного давления со стороны ведомых роторов в крышках 22, 23 размещены газораспределительные втулки 24, 25, имеющие изменяющиеся впускные отверстия, через которые происходит нагнетание воздуха. Положение втулок 24, 25 относительно роторов 17, 18 и крышек 22, 23 фиксируется затяжкой болтов крепления патрубков 26. Кроме этого в корпусе 1 выполнены нагнетательные 27, 29 и всасывающие 29, 30 патрубки.

Роторный компрессор работает следующим образом.

Атмосферный воздух подается через всасывающие патрубки 29, 30 в рабочие полости 3, 5 компрессорных камер 2, 4 первой и второй ступеней, попадает в полости "M" и "N" между зубьями ведущих 15, 16 и ведомых 17, 18 роторов, где происходит его сжатие с последующей подачей на нагнетательный патрубок 27, 28. Частота вращения роторов 16, 18 второй ступени может изменяться независимо от первой ступени за счет изменения передаточного отношения синхронизирующих шестерен 14. При изнашивании синхронизирующих шестерен происходит поворот роторов, что приводит к уменьшению продольного зазора. Максимальный расход нагнетательного потока из полостей "M" и "N" зависит от угла между кромкой отверстия впадин ведущего ротора и кромкой отверстия газораспределительных втулок φ. Максимальная величина угла φ = 24^°30′ . Для уменьшения гидравлических потерь площадь окна нагнетания можно изменить поворотом газораспределительных втулок 24, 25.

Claims (5)

1. Роторный компрессор, содержащий корпус с полостями расширения и размещенным в нем ведущим ротором с зубьями и пазами и ведомым ротором с впадинами и выступами, синхронизирующие шестерни, закрепленные на валах роторов, а также впускные и выпускные отверстия, отличающийся тем, что компрессор снабжен дополнительными ведущим и ведомым роторами, корпус выполнен из трех герметично отделенных корпусных узлов - центрального и двух параллельных компрессорных камер, пазы и впадины выполнены продольными и расположены по ходу вращения перед зубьями ведущего ротора и впадинами ведомого ротора соответственно, причем ведущие роторы выполнены разборными, состоящими из тела ротора и двух зубьев, поверхность зуба которых состоит из трех поверхностей в параметрическом виде относительно осей прямоугольной системы координат:
эпициклоиды
X = 120 cos (f₁ + 66,926) - 60 cos (2f₁ + 66,926);
Y = 120 sin (f₁ + 66,926) - 60 sin (2f₁ + 66,926);
0 < f, < 23^o,
окружности
X = 24 sin f₂;
Y = 24 cosf₂ + 60;
0 < f₂ < 78^o,
удлиненной эпициклоиды
X = 120 sin (f₃ - 9,687) - 67,5 sin (2f₃ - 9,687);
Y = 120 cos (f₃ - 9,687) - 67,5 cos (2f₃ - 9,687), 27^o < f₃ < 43^o,
а впадины ведомых роторов соответственно:
удлиненной экпициклоиды
X = -120 sin t₁ + 85 sin 2t₁;
Y = 120 cost₁ - 84 cos2t₁;
0 < t₁ < 33^o,
окружности
X = 24 sin t₂;
Y = 24 cos t₂ + 60^o;
0 < t₂ < 78^o,
эпициклоиды
X = 120 cos (t₂ + 69,0021) - 60 cos (2 t₃ + 69,0021);
Y = 120 sin (t₃ + 69,0021) - 60 sin (2 t₃ + 69,0021);
0 < t₃ < 21^o.

2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что зубья роторов выполнены плавающими.

3. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что зубья и торцы роторов покрыты антифрикционным самосмазывающим материалом.

4. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что со стороны выхлопа компрессорных камер установлены регулируемые газораспределительные втулки.

5. Компрессор по п.4, отличающийся тем, что газораспределительные втулки имеют изменяющиеся впускные отверстия, зависящие от угла между кромкой отверстия впадин ведущего ротора и кромкой отверстия впадин ведущего ротора и кромкой отверстия газораспределительных втулок.

Images