RU2199668C1 - Positive displacement machine - Google Patents
Positive displacement machine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2199668C1 RU2199668C1 RU2001126375A RU2001126375A RU2199668C1 RU 2199668 C1 RU2199668 C1 RU 2199668C1 RU 2001126375 A RU2001126375 A RU 2001126375A RU 2001126375 A RU2001126375 A RU 2001126375A RU 2199668 C1 RU2199668 C1 RU 2199668C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- stator
- rear end
- cavity
- end cover
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области энергетики, а более конкретно к машинам (двигателям внутреннего сгорания, компрессорам, насосам или гидромоторам) объемного сжатия и разрежения, с ротором, совершающим планетарное движение. The invention relates to the field of energy, and more particularly to machines (internal combustion engines, compressors, pumps or hydraulic motors) of volume compression and vacuum, with a rotor performing planetary motion.
Из предшествующего уровня техники известны объемные машины, в которых поперечное сечение рабочей полости статора имеет форму правильного М-угольника, где М=3,4,5..., с прямолинейными или выпуклой формы сторонами, при этом внутри рабочей полости размещен ротор с возможностью планетарного движения относительно оси рабочей полости. Поперечное сечение ротора представляет собой плоскую фигуру с М-1 одинаковыми сторонами, плавно сопряженными между собой, и имеющую ось симметрии М-1 порядка, совпадающую с осью вращения ротора, при этом каждая сторона поперечного сечения ротора представляет собой огибающую взаимодействующих с ротором участков боковой поверхности рабочей полости статора. Существенное преимущество этих объемных машин перед другими, с вращающимся ротором, например двигателем внутреннего сгорания Ванкеля, заключается в том, что, во-первых, участки боковой поверхности ротора одновременно касаются участков поверхности соответственно всех М стенок рабочей полости статора, но при этом контакт с боковой поверхностью рабочей полости осуществляется не одними и теми же участками боковой поверхности ротора, а в некоторой очередности всеми участками боковой поверхности ротора. Во-вторых, в непосредственном соприкосновении с вращающимся ротором находится не вся поверхность каждой боковой стенки рабочей полости, а только часть ее. Последнее обстоятельство позволяет осуществить размещение уплотнительных элементов, обеспечивающих герметичность рабочих камер по боковой поверхности ротора, непосредственно на стенках рабочей полости статора. В наиболее простых случаях герметизация рабочих камер по боковой поверхности ротора обеспечивается прижатием М участков боковой поверхности рабочей полости статора к боковой поверхности ротора. В результате устраняются недостатки, присущие другим известным роторным двигателям и связанные с вибрациями и ускоренным износом уплотнительных элементов, которые установлены на вращающемся роторе. Кроме того, в рассматриваемых объемных машинах за счет снижения трения скольжения при перемещении ротора относительно статора уменьшаются механические потери, а за счет симметричного расположения рабочих камер обеспечивается более равномерное распределение сил, возникающих от давления газов и воздействующих на ротор и особенно на его вал. Volumetric machines are known from the prior art in which the cross section of the working cavity of the stator has the shape of a regular M-gon, where M = 3,4,5 ..., with straight or convex sides, while the rotor is placed inside the working cavity with the possibility planetary motion relative to the axis of the working cavity. The cross section of the rotor is a flat figure with M-1 identical sides smoothly interconnected, and having an axis of symmetry M-1 of order coinciding with the axis of rotation of the rotor, with each side of the cross-section of the rotor representing the envelope of the parts of the side surface interacting with the rotor working cavity of the stator. A significant advantage of these volumetric machines over others with a rotating rotor, for example, a Wankel internal combustion engine, is that, firstly, the sections of the side surface of the rotor simultaneously touch the surface sections, respectively, of all M walls of the working stator cavity, but at the same time contact with the side the surface of the working cavity is carried out not by the same parts of the side surface of the rotor, but in some order by all parts of the side surface of the rotor. Secondly, in direct contact with the rotating rotor is not the entire surface of each side wall of the working cavity, but only part of it. The latter circumstance allows the placement of sealing elements, ensuring the tightness of the working chambers on the side surface of the rotor, directly on the walls of the working cavity of the stator. In the simplest cases, the sealing of the working chambers along the side surface of the rotor is provided by pressing M sections of the side surface of the working cavity of the stator to the side surface of the rotor. As a result, the disadvantages inherent in other known rotary engines and associated with vibrations and accelerated wear of the sealing elements that are mounted on a rotating rotor are eliminated. In addition, in the volumetric machines under consideration, due to the reduction of sliding friction when moving the rotor relative to the stator, mechanical losses are reduced, and due to the symmetrical arrangement of the working chambers, a more uniform distribution of forces arising from gas pressure and acting on the rotor and especially on its shaft is ensured.
Одной из первых публикаций, относящихся к охарактеризованным выше объемным машинам, является патент Польши (PL- 48198, 1964 [1]). В этом патенте описана объемная машина, содержащая снабженный передней и задней торцевыми крышками статор с рабочей полостью, имеющей поперечное сечение в форме правильного М-угольника (треугольника или квадрата, М=3 или 4) с прямолинейными сторонами; ротор, размещенный внутри рабочей полости статора с возможностью планетарного движения относительно оси рабочей полости статора (например, с помощью внутренней планетарной передачи и кривошипного механизма, а именно вала, закрепленного на передней и задней торцевых крышках с возможностью вращения и снабженного эксцентриковым участком, на котором соосно установлен ротор) и образующий в процессе своего движения М рабочих камер переменного объема, расположенных между участками боковой поверхности ротора, которые соприкасаются с участками боковой поверхности рабочей полости, при этом поперечное сечение ротора представляет собой плоскую фигуру с М-1 одинаковыми выпуклыми сторонами, плавно сопряженными между собой, и имеющую ось симметрии М-1 порядка, совпадающую с осью вращения ротора. Каждая сторона поперечного сечения ротора представляет собой огибающую взаимодействующих с ротором участков боковой поверхности рабочей полости статора. One of the first publications relating to the three-dimensional machines described above is the Polish patent (PL-48198, 1964 [1]). This patent describes a volumetric machine comprising a stator equipped with front and rear end caps with a working cavity having a cross section in the form of a regular M-gon (triangle or square, M = 3 or 4) with straight sides; a rotor located inside the working cavity of the stator with the possibility of planetary motion relative to the axis of the working cavity of the stator (for example, using an internal planetary gear and a crank mechanism, namely a shaft mounted to the front and rear end caps with the possibility of rotation and provided with an eccentric section, on which coaxially a rotor is installed) and forming in the process of its movement M working chambers of variable volume located between sections of the side surface of the rotor that are in contact with the site E lateral surface defining the chamber, wherein the cross section of the rotor is a plane figure with M-1 similar convex sides smoothly conjugated between them and having a symmetry axis of M-1 order, which coincides with the rotor rotation axis. Each side of the cross section of the rotor is an envelope of interacting with the rotor sections of the side surface of the working cavity of the stator.
Газотопливораспределительная система описываемой объемной машины выполнена в виде снабженных соответствующими уплотнительными элементами сквозных отверстий в передней и задней торцевых крышках, при этом открытие и перекрытие впускных и выпускных отверстий осуществляется непосредственно самим ротором. Что касается герметизации рабочих камер, то со стороны боковой поверхности ротора она осуществляется с помощью М подвижных элементов, установленных на статоре и прижимаемых к участкам боковой поверхности ротора, а по торцам - с помощью 2М подпружиненных торцевых уплотнительных элементов, прижимаемых к боковым поверхностям ротора. Детальное описание торцевых уплотнительных элементов приведено в патентах РL 48191, 1964 и US 3450107, 1969. The gas distribution system of the described volumetric machine is made in the form of through holes provided with appropriate sealing elements in the front and rear end caps, while opening and closing the inlet and outlet openings is carried out directly by the rotor itself. As for sealing the working chambers, on the side of the side surface of the rotor it is carried out using M movable elements mounted on the stator and pressed to the sections of the side surface of the rotor, and at the ends - using 2M spring-loaded end sealing elements pressed against the side surfaces of the rotor. A detailed description of the end sealing elements is given in patents PL 48191, 1964 and US 3450107, 1969.
Недостатком такой конструкции объемной машины является малая длительность межремонтного пробега, связанная с быстрым износом торцевых уплотнительных элементов и уплотнительных элементов газотопливораспределительной системы, которые находятся в постоянном контакте с торцевыми поверхностями ротора. Кроме того, описываемая объемная машина характеризуется невысокой надежностью, поскольку герметичность рабочих камер является необходимым условием не только работоспособности машины (обеспечение необходимой степени сжатия и расширения), но и получения высокого коэффициента полезного действия, т.к. протечки снижают кпд машины. The disadvantage of this design of the volumetric machine is the short duration of the overhaul, associated with the rapid wear of the end sealing elements and sealing elements of the gas distribution system, which are in constant contact with the end surfaces of the rotor. In addition, the described volumetric machine is characterized by low reliability, since the tightness of the working chambers is a prerequisite not only for the operability of the machine (providing the necessary degree of compression and expansion), but also for obtaining a high efficiency, since Leaks reduce machine efficiency.
Известна также объемная машина, взятая в качестве прототипа и содержащая разъемный полый статор с внутренней цилиндрической поверхностью, направляющая которой имеет форму линии, ограничивающей квадрат (М=4) со скругленными углами, переднюю торцевую крышку, на которой с возможностью вращения и соосно оси полости статора установлен вал, распределительный механизм, размещенный в полом цилиндрическом корпусе, заднюю торцевую крышку, герметично установленную на полом статоре, и ротор, размещенный в полости статора эксцентрично и с возможностью планетарного движения относительно ее оси. Поперечное сечение ротора представляет собой плоскую фигуру с тремя (М-1) выпуклыми дугообразными сторонами, которые сопряжены между собой одинаковыми дугами, соответствующими окружностям меньшего диаметра. Центры трех групп концентрических окружностей, соответствующих каждой паре противолежащих дуг, а именно каждой дугообразной стороне поперечного сечения ротора и дуги скругления противолежащей ей вершины, совпадают с соответствующими вершинами равностороннего треугольника, центр тяжести которого является осью симметрии третьего порядка (М-1) поперечного сечения ротора. Распределительный механизм выполнен в виде вращающегося цилиндрического золотника, установленного соосно валу и кинематически связанного с ним. Цилиндрический золотник посредством четырех сквозных отверстий, выполненных в полом цилиндрическом корпусе, связан соответственно с каждой из четырех рабочих камер переменного объема, образующихся в процессе движения ротора между его боковой поверхностью и внутренней цилиндрической поверхностью статора в зоне каждого из четырех скругленных углов внутренней цилиндрической полости статора. Полый цилиндрический корпус, с одной стороны, жестко соединен с передней торцевой крышкой, а с другой стороны - с полым статором (см. патент US 4.462.774, 1984 [2]). Also known is a volumetric machine, taken as a prototype and containing a detachable hollow stator with an inner cylindrical surface, the guide of which has the shape of a line bounding a square (M = 4) with rounded corners, a front end cover on which the stator cavity can rotate and coaxially with the axis of the stator cavity a shaft, a camshaft mounted in a hollow cylindrical housing, a rear end cover hermetically mounted on the hollow stator, and a rotor placed in the stator cavity eccentrically and with the possibility of thw planetary motion about its axis. The cross section of the rotor is a flat figure with three (M-1) convex arcuate sides that are interconnected by the same arcs corresponding to circles of smaller diameter. The centers of three groups of concentric circles corresponding to each pair of opposing arcs, namely, each arcuate side of the rotor cross section and the rounding arc of the vertices opposite it, coincide with the corresponding vertices of an equilateral triangle, the center of gravity of which is the axis of symmetry of the third order (M-1) of the rotor cross section . The distribution mechanism is made in the form of a rotating cylindrical spool mounted coaxially to the shaft and kinematically connected with it. The cylindrical spool through four through holes made in a hollow cylindrical body, respectively connected with each of the four working chambers of variable volume, formed during the movement of the rotor between its lateral surface and the inner cylindrical surface of the stator in the area of each of the four rounded corners of the inner cylindrical cavity of the stator. The hollow cylindrical body, on the one hand, is rigidly connected to the front end cover, and on the other hand, to the hollow stator (see US Pat. No. 4,462,774, 1984 [2]).
Недостатком взятой за прототип объемной машины является сложность конструкции, связанная, во-первых, с необходимостью изготовления сопряженных деталей распределительного механизма с высокой точностью, а во-вторых с необходимостью выполнения полого статора разъемным. Кроме того, консольное размещение ротора на валу, а также большое число сопряженных деталей, образующих рабочие камеры (задняя торцевая крышка, два элемента полого статора, полый цилиндрический корпус распределительного механизма) существенно снижают надежность объемной машины и делают проблематичным получение высокого стабильного во времени кпд из-за сложности выполнения эффективного уплотнения рабочих камер. The disadvantage of the prototype volumetric machine is the design complexity associated, firstly, with the need to manufacture the mating parts of the distribution mechanism with high accuracy, and secondly with the need to make the hollow stator detachable. In addition, the cantilever placement of the rotor on the shaft, as well as a large number of mating parts forming the working chambers (rear end cover, two elements of the hollow stator, hollow cylindrical housing of the distribution mechanism) significantly reduce the reliability of the volumetric machine and make it difficult to obtain a high time-stable efficiency from -for the complexity of performing effective compaction of working chambers.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по повышению надежности торцевой уплотнительной системы рабочих камер объемной машины при одновременно повышении степени сжатия рабочего тела и упрощении конструкции, во-первых, за счет изменения конструкции золотникового распределительного механизма, дисковые золотники которого дополнительно выполняют функцию элементов радиальной бесконтактной торцевой уплотнительной системы рабочих камер, а во-вторых, за счет уменьшения числа сопрягаемых деталей. Достигаемый при этом технический результат - стабильность во времени кпд объемной машины, имеющей более простую конструкцию. The present invention is aimed at solving the technical problem of improving the reliability of the end sealing system of the working chambers of a volumetric machine while simultaneously increasing the degree of compression of the working fluid and simplifying the design, firstly, by changing the design of the spool distribution mechanism, the disk spools of which additionally serve as elements of the radial contactless end sealing system of the working chambers, and secondly, by reducing the number of mating parts. The technical result achieved in this case is the time stability of the efficiency of a volumetric machine having a simpler design.
Поставленная задача решена тем, что в объемной машине, содержащей полый статор с внутренней цилиндрической поверхностью, направляющая которой имеет форму линии, ограничивающей правильный М-угольник, ротор, размещенный в полости статора эксцентрично и с возможностью планетарного движения относительно ее оси и образующий в процессе своего движения за счет контакта участков своей боковой поверхности с участками внутренней цилиндрической поверхности статора в зоне каждого из М ее углов изолированные друг от друга М рабочих камер переменного объема, переднюю торцевую крышку, на которой с возможностью вращения и соосно оси полости статора установлен вал, заднюю торцевую крышку, жестко и герметично соединенную со статором, и золотниковый распределительный механизм, при этом поперечное сечение ротора представляет собой плоскую фигуру с М-1 одинаковыми выпуклыми сторонами, плавно сопряженными между собой, и имеющую ось симметрии М-1 порядка, совпадающую с осью вращения ротора, согласно изобретению, передняя торцевая крышка жестко и герметично соединена со статором, который выполнен неразъемным, при этом статор соединен с передней и задней торцевыми крышками с образованием первой и второй кольцевых полостей, соосных валу и сообщающихся по всему своему внутреннему периметру с полостью статора, золотниковый распределительный механизм включает соосные ротору впускной и выпускной дисковые золотники, выполненные соответственно в виде первого и второго торцевых фланцев ротора, которые размещены соответственно в первой и второй кольцевых полостях с возможностью обеспечения свободного движения ротора, бесконтактного уплотнения рабочих камер переменного объема по их торцам за счет минимального гарантированного зазора между ними и боковыми стенками соответствующих кольцевых полостей, а также обеспечения при своем движении периодическое перекрытие М впускных каналов, выполненных в задней торцевой крышке, и периодическое соединение М выпускных каналов, выполненных в статоре в зоне каждого угла его внутренней цилиндрической поверхности, с коллекторной выходной полостью, при этом М - целое число, которое больше или равно трем. The problem is solved in that in a volumetric machine containing a hollow stator with an inner cylindrical surface, the guide of which has the shape of a line bounding a regular M-gon, the rotor placed in the stator cavity is eccentric and with the possibility of planetary movement about its axis and forming in the process of movements due to the contact of the sections of its lateral surface with the sections of the inner cylindrical surface of the stator in the area of each of its M angles M working chambers isolated from each other volume, a front end cover on which a shaft is mounted rotatably and coaxially with the axis of the stator cavity, a rear end cover rigidly and hermetically connected to the stator, and a spool distribution mechanism, while the rotor cross-section is a flat figure with M-1 identical convex sides, smoothly conjugated to each other, and having an axis of symmetry M-1 of the order coinciding with the axis of rotation of the rotor according to the invention, the front end cover is rigidly and hermetically connected to the stator, which made one-piece, while the stator is connected to the front and rear end caps with the formation of the first and second annular cavities, coaxial to the shaft and communicating along its entire inner perimeter with the stator cavity, the spool distribution mechanism includes inlet and outlet disk spools coaxial to the rotor, made respectively in the form the first and second end flanges of the rotor, which are respectively located in the first and second annular cavities with the possibility of providing free movement of the rotor, by sealing the working chambers of variable volume at their ends due to the minimum guaranteed clearance between them and the side walls of the respective annular cavities, as well as ensuring, during its movement, periodic overlap of the M inlet channels made in the rear end cover, and the periodic connection of M outlet channels made in a stator in the area of each corner of its inner cylindrical surface, with a collector outlet cavity, while M is an integer that is greater than or equal to three.
Кроме того, поставленная задача решена тем, что:
- вал выполнен с эксцентриковым участком, расположенным в полости статора и являющимся осью ротора, который снабжен внутренним колесом планетарной передачи с внешним зубчатым венцом, находящимися в зацеплении с неподвижным наружным колесом с внутренним зубчатым венцом, которым снабжена задняя торцевая крышка;
- в задней торцевой крышке выполнена подшипниковая опора для вала;
- торцевые фланцы ротора выполнены в виде колец и жестко установлены на роторе;
- объемная машина дополнительно содержит балансир, неподвижно соединенный с валом;
- балансир размещен в глухом торцевом отверстии, выполненном в передней торцевой крышке;
- статор выполнен с торцевыми цилиндрическим проточками, а на обращенной к статору стороне передней и задней торцевых крышек выполнены цилиндрические выступы, соответствующие торцевым цилиндрическим проточкам статора, при этом глубина торцевых цилиндрических проточек статора больше высоты цилиндрических выступов на передней и задней торцевых крышках на ширину Вп кольцевых полостей;
- в передней торцевой крышке выполнена кольцевая проточка, выполняющая функцию коллекторной выходной полости и сообщающаяся по всей своей длине с периферийной частью второй кольцевой полости и выходным патрубком, установленным на передней торцевой крышке.In addition, the task is solved by the fact that:
- the shaft is made with an eccentric section located in the stator cavity and which is the axis of the rotor, which is equipped with an inner planetary gear wheel with an external gear ring, meshed with a stationary outer wheel with an internal gear ring, which is equipped with a rear end cover;
- a bearing support for the shaft is made in the rear end cover;
- end flanges of the rotor are made in the form of rings and are rigidly mounted on the rotor;
- the volumetric machine further comprises a balancer fixedly connected to the shaft;
- the balancer is placed in a blind end hole made in the front end cover;
- the stator is formed with end cylindrical bores, and facing the stator side front and rear end caps are made cylindrical projections corresponding mechanical cylindrical groove of the stator, wherein the depth of the end cylindrical bores stator greater than the height of cylindrical protrusions on the front and rear end covers the width B n annular cavities;
- an annular groove is made in the front end cap, which performs the function of a collector outlet cavity and communicates along its entire length with the peripheral part of the second annular cavity and an outlet pipe mounted on the front end cap.
Предложенное выполнение объемной машины обеспечивает надежное бесконтактное торцевое уплотнение рабочих камер переменного объема при одновременном упрощении ее конструкции. Действительно, выполнение впускного и выпускного дисковых золотников в виде торцевых фланцев ротора, которые размещены в соответствующей кольцевой полости, позволяет обеспечить выполнение торцевыми фланцами ротора одновременно двух функций: собственно золотников распределительного механизма, а также элементов радиальной бесконтактной уплотнительной системы рабочих камер переменного объема. При этом отпадает необходимость в использовании специального корпуса для золотникового распределительного механизма, а также выполнения статора разъемным. Более того, изобретение позволяет разместить входные и выходные элементы для рабочего тела как на торцевых поверхностях объемной машины, так и на ее боковой поверхности (как в прототипе), что расширяет область ее использования. Выполнение бесконтактной уплотнительной системы рабочих камер переменного объема радиальной позволяет легко обеспечить требуемую (для заданной высотой степени сжатия рабочего тела) протяженность минимального гарантированного зазора между торцевыми фланцами ротора и боковыми поверхностями соответствующих им кольцевых полостей, при этом (что является важным обстоятельством) толщина торцевых фланцев ротора увеличивается незначительно, поскольку периферийные участки торцевых фланцев ротора, размещенные в соответствующих кольцевых полостях и отделенные от их боковых стенок минимальными гарантированными зазорами, заполненными смазкой, обеспечивают эффект "заделки" периферийных участков торцевых фланцев ротора, а следовательно, уменьшить существенно величину деформации торцевых фланцев ротора, возникающей при высоком давлении в камерах переменного объема. Небольшая толщина торцевых фланцев ротора (2-4 мм) позволяет также уменьшить величину центробежной силы, которую необходимо уравновесить с помощью балансира. The proposed implementation of a volumetric machine provides reliable non-contact mechanical sealing of working chambers of variable volume while simplifying its design. Indeed, the implementation of the inlet and outlet disk spools in the form of end rotor flanges, which are placed in the corresponding annular cavity, allows the rotor end flanges to simultaneously perform two functions: the actual spools of the distribution mechanism, as well as the elements of the radial contactless sealing system of variable volume working chambers. At the same time, there is no need to use a special housing for the spool distribution mechanism, as well as to make the stator detachable. Moreover, the invention allows to place the input and output elements for the working fluid both on the end surfaces of the volumetric machine and on its side surface (as in the prototype), which expands the scope of its use. The implementation of a non-contact sealing system of working chambers of variable volume radial makes it easy to provide the required (for a given height degree of compression of the working fluid) length of the minimum guaranteed clearance between the end flanges of the rotor and the side surfaces of the corresponding annular cavities, while (which is an important circumstance) the thickness of the end flanges of the rotor increases slightly, since the peripheral sections of the end flanges of the rotor placed in the corresponding annular cavities and separated from their side walls by the minimum guaranteed gaps filled with grease provide the effect of "sealing" the peripheral sections of the end flanges of the rotor, and therefore, significantly reduce the amount of deformation of the end flanges of the rotor that occurs at high pressure in chambers of variable volume. The small thickness of the end flanges of the rotor (2-4 mm) also allows you to reduce the magnitude of the centrifugal force, which must be balanced using a balancer.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером его реализации в качестве компрессора (насоса), который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения сформулированной выше совокупностью существенных признаков требуемого технического результата. Естественно, что и формы реализации изобретательского замысла не ограничены изложенным ниже примером. The present invention is illustrated by a specific example of its implementation as a compressor (pump), which, however, is not the only possible, but clearly demonstrates the possibility of achieving the above set of essential features of the required technical result. Naturally, the forms of realization of the inventive concept are not limited to the example set out below.
На фиг. 1 изображена объемная машина, продольный разрез; на фиг.2 - то же, вид сбоку, частичный разрез; на фиг.3 - то же, сечение А-А на фиг.1; на фиг. 4 - бесконтактное торцевое уплотнение рабочих камер в увеличенном масштабе; на фиг. 5 - выпускной дисковый золотник; на фиг.6,7 и 8 - схематично показаны последовательные положения ротора в процессе работы объемной машины (статор для наглядности повернут). In FIG. 1 shows a volumetric machine, a longitudinal section; figure 2 is the same, side view, partial section; figure 3 is the same, section aa in figure 1; in FIG. 4 - non-contact mechanical seal of the working chambers on an enlarged scale; in FIG. 5 - exhaust disc spool; 6,7 and 8 - schematically shows the sequential position of the rotor during operation of the volumetric machine (the stator is rotated for clarity).
Объемная машина (фиг.1) содержит неразъемный полый статор 1 с внутренней цилиндрической поверхностью 2, направляющая которой имеет форму линии, ограничивающей правильный М-угольник с прямолинейными или выпуклыми сторонами, которые сопряжены между собой криволинейными участками, например квадрат (М= 4) со скругленными углами 3.1, 3.2, 3.3 и 3.4 (фиг.3), переднюю торцевую крышку 4 с установленным в ней подшипником 5, заднюю торцевую крышку 6 с установленным в ней подшипником 7, вал 8 с эксцентриковым участком 9, ротор 10 и балансир 11. Вал 9 установлен соосно оси 12 полости статора 1 с внутренней цилиндрической поверхностью 2 на подшипниках 5 и 7 и пропущен через соответствующее сквозное отверстие, выполненное в передней торцевой крышке 4. Передняя 4 и задняя 6 торцевые крышки жестко и герметично соединены со статором 1, например, с помощью резьбовых крепежных элементов 13, с образованием первой 14 и второй 15 кольцевых полостей, соосных оси 12 и сообщающихся по всему своему внутреннему периметру с полостью статора 1. В частности, это обеспечивается тем, что статор 1 выполнен с торцевыми цилиндрическими проточками 16.1 и 16.2, а на обращенной к нему стороне передней 4 и задней 6 торцевых крышках выполнены цилиндрические выступы 17.1 и 17.2, соответствующие торцевым цилиндрическим проточкам 16.1 и 16,2 статора, при этом глубина торцевых цилиндрических проточек 16.1 и 16.2 больше высоты цилиндрических выступов 17.1 и 17.2 на ширину Вп кольцевых полостей 14 и 15. Задняя торцевая крышка 6 снабжена соосным оси 12 внешним колесом планетарной передачи с внутренним зубчатым венцом 18, которое (в предпочтительном варианте осуществления изобретения) выполнено заодно с задней торцевой крышкой 6, например, на кольцевом выступе 19 (фиг.1). На размещенном в полости статора 1 эксцентриковом участке 9 вала 8 на подшипниках 20 установлен ротор 10 с глухим кольцевым торцевым отверстием 21, которое соосно оси 22 эксцентрикового участка 9 вала 8. Ротор 10 снабжен внутренним колесом планетарной передачи с внешним зубчатым венцом 23, которое соосно оси 22 и (в предпочтительном варианте осуществления изобретения) выполнено заодно с ротором 10 например, внутри отверстия 21, и находится в зацеплении с внутренним зубчатым венцом 18, который выполнен на кольцевом выступе 19, расположенным также внутри отверстия 21. Поперечное сечение ротора 10 представляет собой плоскую фигуру с тремя (М-1) одинаковыми выпуклыми сторонами 24.1 и 24.2 и 24.3, которые плавно сопряжены между собой, и имеющей ось симметрии третьего порядка (М-1), совпадающую с осью 22 (иными словами, с осью вращения ротора 10) и обеспечивающую при движении ротора 10 контакт его боковой поверхности с внутренней цилиндрической поверхностью 2 одновременно в четырех линейных участках 25.1, 25.2, 25.3 и 25.4, положение которых в процессе движения ротора 10 меняется по периодическому закону (фиг.6,7 и 8). Кроме того, поперечное сечение ротора 10 имеет три оси 10.1. 10.2 и 10.3 симметрии второго порядка.The volumetric machine (Fig. 1) contains an integral
Ротор 10 снабжен также соосными ему первым и вторым торцевыми фланцами (выполняющими соответственно функцию впускного и выпускного дисковых золотников), которые в предпочтительном варианте осуществления изобретения выполнены соответственно в виде первого 26 и второго 27 кольца, жестко установленных на роторе 10. Первый и второй торцевые фланцы ротора 10 могут быть выполнены заодно с ним, но в этом случае стоимость машины возрастет. Периферийная часть первого кольца 26 и периферийная часть второго кольца 27 постоянно размещены соответственно в первой 14 и второй 15 кольцевых полостях с обеспечением возможности свободного движения ротора 10 (кинематика движения которого определена двумя центроидами, а именно подвижной, устанавливающей геометрическое место центров вращения поперечного сечения ротора в плоскости его перемещения, и неподвижной, устанавливающей геометрическое место этих мгновенных центров в неподвижной плоскости [1]), а также бесконтактного уплотнения по торцам рабочих камер 28, 29, 30 и 31 переменного объема (которые ограничены по периметру ротора 10 линейными участками 25.1, 25.2, 25.3 и 25.4 контакта его боковой поверхности с внутренней цилиндрической поверхностью 2 полости статора 1) за счет минимального гарантированного зазора - δ1 между кольцами 26 и 27 и боковыми стенками соответствующих им кольцевых полостей 14 и 15. Геометрические размеры торцевых фланцев ротора 10 и соответствующих им кольцевых полостей 14 и 15 удовлетворяют соотношениям:
Вп= Вф+ 2δ1; (1)
Rф= Rп- ε-δ2; (2)
Rп= Rоп+ L+ 2ε, (3)
где Вп и Вф - соответственно ширина первой 14 и второй 15 кольцевых полостей и толщина торцевых фланцев ротора (кольца 26 и 27);
δ1 - минимальный гарантированный зазор между каждым торцевым фланцем ротора и боковыми стенками соответствующей им кольцевой полости;
δ2 - зазор между поверхностью дна каждой кольцевой полости и соответствующими участками торцевых фланцев ротора 10, наиболее удаленных от оси 12;
Rоп - радиус описанной окружности М-угольной направляющей внутренней цилиндрической поверхности 2 статора 1, при этом М=3,4,5,...;
Rф - внешний радиус колец 26 и 27;
Rп - радиус кольцевых полостей 14 и 15;
ε - расстояние между осями 12 и 22;
L - длина радиального участка бесконтактного уплотнения по торцам рабочих камер 28-31, обеспечивающего перепад давления, равный ΔРmax и имеющего минимальный гарантированный зазор - δ1.
Здесь следует отметить также, что величина L зависит также от состояния поверхностей, разделенных зазором δ1, а именно наличием микронеровностей, кольцевых микроканавок и т.д., образующих лабиринтное бесконтактное уплотнение.The
B n = B f + 2δ 1 ; (1)
R f = R p - ε-δ 2 ; (2)
R p = R op + L + 2ε, (3)
where In p and B f - respectively, the width of the first 14 and second 15 annular cavities and the thickness of the end flanges of the rotor (
δ 1 is the minimum guaranteed clearance between each end rotor flange and the side walls of the corresponding annular cavity;
δ 2 - the gap between the bottom surface of each annular cavity and the corresponding sections of the end flanges of the
R op - the radius of the circumscribed circle of the M-coal guide of the inner cylindrical surface 2 of the
R f - the outer radius of the
R p the radius of the
ε is the distance between the
L is the length of the radial section of the non-contact seal at the ends of the working chambers 28-31, providing a pressure drop equal to ΔP max and having a minimum guaranteed clearance of δ 1 .
It should also be noted here that the value of L also depends on the condition of the surfaces separated by a gap δ 1 , namely, the presence of microroughnesses, annular micro grooves, etc., forming a labyrinth non-contact seal.
В передней торцевой крышке 4 выполнена кольцевая проточка 32, выполняющая функцию коллекторной выходной полости, сообщающейся по всей своей длине с периферийной частью второй кольцевой полости 15, а также с выходным патрубком 33, установленным на внешней поверхности передней торцевой крышки 4. Коллекторная выходная полость может быть выполнена и на внешней поверхности передней торцевой крышке 4 аналогично, как описано в патенте RU - C1 - 2075616, 1997. Возможно также выполнение коллекторной выходной полости в статоре 1. Кроме того, на обращенной к статору 1 стороне передней торцевой крышки 4 выполнено отверстие 34, в котором с возможностью свободного вращения размещен балансир 11, жестко закрепленный на валу 8. An
На фиг.1-8 показаны также один из вариантов выполнения системы впуска и выпуска рабочего тела. В задней торцевой крышке 6 выполнены четыре (М=4) впускных отверстия 35.1, 35.2, 35.3 и 35.4, центры которых находятся на окружности с центром на оси 12 и разнесены друг относительно друга на 90o. При этом диаметры, на которых попарно расположены центры впускных отверстий 35.1, 35.2 и 35.3, 35.4, лежат в соответствующих взаимно перпендикулярных диагональных плоскостях симметрии внутренней цилиндрической поверхности 2, а диаметр указанной выше окружности составляет 0,8-0,98 расстояния между каждой парой противолежащих скругленных углов 3.1, 3.3 (3.2, 3.4).Figure 1-8 also shows one embodiment of the intake and exhaust system of the working fluid. In the
На внутренней цилиндрической поверхности 2 статора 1 выполнены четыре выпускных канала 36.1, 36.2, 36.3 и 36.4, оси которых расположены под углом 30-60o к оси 12 и попарно лежат в соответствующих взаимно перпендикулярных диагональных плоскостях симметрии внутренней цилиндрической поверхности 2.On the inner cylindrical surface 2 of the
В первом кольце 26 (впускном дисковом золотнике) выполнены три дуговые впускные щели 37.1, 37.2 и 37.3, центры дуг которых расположены через 120o на окружности с центром на оси 22 и диаметром, равным 8ε, где ε - расстояние между осями 12 и 22. Иными словами, ε - величина эксцентрического движения ротора 10. Дуговые впускные щели 37.1, 37.2 и 37.3 имеют угловую длину 0,8-1,2 рад и смещены друг относительно друга на 120o.In the first ring 26 (inlet disk spool) there are three arc inlet slots 37.1, 37.2 and 37.3, the centers of the arcs of which are located after 120 o on a circle with a center on
На обращенной к статору 1 стороне второго кольца 27 (выпускного дискового золотника) выполнены три смещенные друг относительно друга на 120o канавки 38.1, 38.2 и 38.3 в виде примыкающих к соответствующему диаметру кольца 27 отрезков хорд, каждая из которых сопряжена с соответствующей радиальной канавкой 39.1, 39.2 и 39.3, расположенными между соответствующей канавкой 38.1, 38.2 и 38.3 и внешней торцевой поверхностью 27.1 второго кольца 27.On the side of the second ring 27 (outlet disk spool) facing the
Первое кольцо 26 закреплено на роторе 10 таким образом, что радиус, на которых расположены центры дуг впускных щелей 37.1, 37.2 и 37.3, повернуты относительно соответственно осей 10.1, 10.2 и 10.3 симметрии второго порядка поперечного сечения ротора 10 в направлении, противоположном направлению вращения ротора 10 на угол 57-59o, при этом расстояние между осью 22 и каждой дугообразной впускной щелью монотонно уменьшается в направлении вращения ротора 10 вокруг оси 22.The
Второе кольцо 27 закреплено на роторе 10 таким образом, что его диаметры, к которым примыкают канавки 38.1, 38.2 и 38.3, совпадают с соответствующими осями симметрии 10.1. 10.2 и 10.3 второго порядка поперечного сечения ротора 10, при этом расстояние между осью 22 и каждой канавкой 38.1-38.3 увеличивается в направлении вращения ротора 10. The
В случае использования предложенной объемной машины в качестве компрессора или насоса работа ее осуществляется следующим образом. In the case of using the proposed volumetric machine as a compressor or pump, its operation is as follows.
При повороте вала 8 с помощью какого-либо внешнего привода происходит вращение ротора 10 вокруг оси 12 за счет размещения его на эксцентриковом участке 9 вала 8 (другими словами, за счет кривошипного соединения ротора 10 с валом 8), а также вращение ротора 10 вокруг оси 22 эксцентрикового участка 9 вала 8 за счет планетарной зубчатой передачи, включающей внешнее неподвижное колесо с внутренним зубчатым венцом 18 и находящимся в зацеплении с ним внутреннее подвижное колесо с внешним зубчатым венцом 23. Поскольку каждая сторона поперечного сечения ротора 10 представляет собой огибающую взаимодействующих с ней участков внутренней цилиндрической поверхности 2 статора 1, то при указанной выше кинематике движения ротора 10 обеспечивается контакт его боковой поверхности с внутренней цилиндрической поверхностью 2 статора 1 одновременно в четырех линейных участках 25.1, 25.2, 25.3 и 25.4, положение которых в процессе движения ротора 10 меняется, но при этом контакт с внутренней цилиндрической поверхностью 2 осуществляется не одними и теми же участками боковой поверхности ротора 10, а в некоторой очередности всеми участками его боковой поверхности. Иными словами боковая поверхность ротора 10 "обкатывается" полностью. Участки 25.1, 25.2, 25.3 и 25.4 касания боковой поверхности ротора 10 с внутренней цилиндрической поверхностью 2 делят объем полости статора 1 на четыре (М=4) рабочие камеры 28, 29, 30 и 31 переменного объема, расположенные соответственно в зоне каждого скругленного угла 3.1, 3.2, 3.3 и 3.4 внутренней цилиндрической поверхности 2 и ограниченные по торцам первым 26 и вторым 27 кольцами, которые жестко установлены на роторе 10. Периферийная часть первого кольца 26 и периферийная часть второго кольца 27 постоянно размещены соответственно в первой 14 и второй 15 кольцевых полостях, при этом за счет минимального гарантированного зазора - δ1, между торцевыми поверхностями колец 26 и 27 и боковыми стенками соответствующих им кольцевых полостей 14 и 15 обеспечивается бесконтактное уплотнение рабочих камер 28-31 по торцам. Каждая рабочая камера 28-31 изменяет свой объем по периодическому закону, а именно происходит расширение каждой рабочей камеры 28-31 до максимального размера с последующим монотонным уменьшением их объемов до минимального размера, соответствующих моменту, когда одна из вершин ротора 10 совмещается с одним из скругленных углов внутренней цилиндрической поверхности 2. На фиг.6. 7 и 8 схематично показаны последовательные положения ротора 10 и колец 26 и 27, при этом впускные отверстия 35.1-35.4, выполненные в задней торцевой крышке 6, условно показаны черными кружками.When the shaft 8 is rotated using any external drive, the
При вращении ротора 10 по часовой стрелке в момент совмещения впускного отверстия 35.1 с дуговой впускной щелью 37.1 начинается процесс наполнения рабочей камеры 28 рабочим тело, например воздухом, под давлением Р1 (фиг.6). В предложенной объемной машине за счет размещения периферийной части колец 26 и 27 соответственно в первой 14 и во второй 15 кольцевых полостях, от боковых стенок которых они отделены минимальным гарантированным зазором, заполненным смазкой, обеспечивается эффект "заделки" периферийных частей колец 26 и 27. Это позволяет уменьшить толщину колец 26 и 27 (торцевых фланцев ротора 10) при сохранении прочностных параметров объемной машины. Это особенно важно при использовании предложенной объемной машины в качестве машины, работающей от давления газа или жидкости, когда Р1 может достигать значительной величины. When the
Одновременно продолжается процесс наполнения рабочей камеры 29 через впускное отверстие 35.2 и дуговую впускную щель 37.2. Впускные отверстия 35.3 и 35.4 перекрыты кольцом 26, поэтому подача рабочего тела в рабочие камеры 30 и 31 закончилась и происходит процесс сжатия рабочего тела в этих рабочих камерах. При достижении давления в рабочей камере 31 заданного значения Р2 происходит совмещение отверстия выпускного канала 36.4, расположенного на торцевой поверхности статора 1 с канавкой 38.3, выполненной на внутренней поверхности кольца 27. Рабочее тело под давлением Р2 начинает поступать последовательно через выпускной канал 36.4, канавку 38.3 и радиальную канавку 39.3 в коллекторную выходную полость, образованную кольцевой проточкой 32, а далее через выходной патрубок 33 потребителю. At the same time, the process of filling the working
При дальнейшем повороте ротора 10 объем рабочей камеры 31 продолжает уменьшаться, поэтому давление в ней остается практически на том же уровне Р2. После достижения рабочей камерой минимального объема (фиг.7) выпускной канал 36.4 перекрывается кольцом 27 и подача рабочего тела потребителю под давлением Р2 заканчивается. Одновременно заканчивается процесс наполнения рабочим телом рабочей камеры 29, но продолжается процесс наполнения рабочим телом рабочей камеры 28, а также продолжается процесс сжатия рабочего тела в рабочей камере 30. With further rotation of the
Далее объем рабочей камеры 31 начинает увеличиваться, давление рабочего тела в этой камере уменьшается, а после достижения давлением в этой рабочей камере величины, близкой к Р1, начинается процесс наполнения рабочей камеры 31 рабочим телом под давлением Р1 (фиг.8) за счет совмещения впускного отверстия 35.4 с дуговой впускной щелью 37.3. Аналогично описанный выше процесс повторяется в рабочих камерах 28, 29, 30 и 31. Здесь необходимо отметить, что при описании работы предложенной объемной машины не учитывался фактор, касающийся нагрева рабочего тела при сжатии. С учетом вышеуказанного фактора длина канавок 38.1-38.3 должна быть увеличена по сравнению с тем, как показано на фигурах. Next, the volume of the working
Центробежные силы, возникающие при движении ротора 10 и колец 26 и 27, уравновешиваются с помощью балансира 11. В случае использования данного изобретения в качестве двигателя внутреннего сгорания объемная машина дополнительно должна содержать систему инициирования воспламенения рабочего тела. The centrifugal forces arising from the movement of the
Таким образом, настоящее изобретение может быть использовано в холодильных машинах, компрессорах, насосах, гидромоторах, а также в двигателях внутреннего сгорания, используемых в любых отраслях в качестве силового агрегата. Thus, the present invention can be used in refrigerators, compressors, pumps, hydraulic motors, as well as in internal combustion engines used in any industry as a power unit.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001126375A RU2199668C1 (en) | 2001-10-01 | 2001-10-01 | Positive displacement machine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001126375A RU2199668C1 (en) | 2001-10-01 | 2001-10-01 | Positive displacement machine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2199668C1 true RU2199668C1 (en) | 2003-02-27 |
Family
ID=20253386
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001126375A RU2199668C1 (en) | 2001-10-01 | 2001-10-01 | Positive displacement machine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2199668C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008079053A2 (en) | 2006-12-26 | 2008-07-03 | Sergei Ivanovich Nefedov | Positive-displacement machine design (variants) |
-
2001
- 2001-10-01 RU RU2001126375A patent/RU2199668C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008079053A2 (en) | 2006-12-26 | 2008-07-03 | Sergei Ivanovich Nefedov | Positive-displacement machine design (variants) |
| WO2008079053A3 (en) * | 2006-12-26 | 2009-03-05 | Sergei Ivanovich Nefedov | Positive-displacement machine design (variants) |
| CN101568698B (en) * | 2006-12-26 | 2011-09-07 | S·I·涅费多夫 | Positive-displacement machine design (variants) |
| US8128389B2 (en) | 2006-12-26 | 2012-03-06 | Sergei Ivanovich Nefedov | Positive-displacement machine design (variants) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5431551A (en) | Rotary positive displacement device | |
| KR101117095B1 (en) | Rotary mechanism | |
| JP2624979B2 (en) | Compressible positive displacement rotary machine for working fluid | |
| US20070044751A1 (en) | Rotary piston power system | |
| KR880000832B1 (en) | Scroll type fluid machine | |
| US6607371B1 (en) | Pneudraulic rotary pump and motor | |
| US3799126A (en) | Rotary machines | |
| US4692105A (en) | Roller displacement motor | |
| US6494698B2 (en) | Rotary piston machine having cycloid teeth | |
| US4877379A (en) | Rotary mechanism for three-dimensional volumetric change | |
| US4872818A (en) | Rotary pump having alternating pistons controlled by non-circular gears | |
| UA74599C2 (en) | Volumetric rotor machine | |
| RU2199668C1 (en) | Positive displacement machine | |
| US4174195A (en) | Rotary compressor and process of compressing compressible fluids | |
| RU2468209C2 (en) | Rotary engine operating on compressed medium | |
| JPH05202869A (en) | Compressor | |
| CN109915371B (en) | Non-equiangular meshed rotary vane type variable-capacity mechanism | |
| RU2767416C1 (en) | Rotary volumetric machine | |
| RU2357097C2 (en) | Rotor-piston pump-compressor | |
| RU2278980C1 (en) | Rotary positive displacement machine | |
| RU2009341C1 (en) | Birotatory engine | |
| RU2541059C1 (en) | Rotary and plate device | |
| US3521979A (en) | Dual-drive rotary engine | |
| US11143028B2 (en) | Composite piston machine combining rotary oscillating and pendular movements | |
| CN210422766U (en) | Fluid energy conversion device and rotary engine |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20081002 |