RU2200253C2

RU2200253C2 - Rotary compressor (versions)

Info

Publication number: RU2200253C2
Application number: RU2000112659A
Authority: RU
Inventors: И.Н. Федоренко; В.И. Федоренко
Original assignee: Московский государственный технический университет "МАМИ"; Федоренко Игорь Николаевич; Федоренко Владимир Игоревич
Priority date: 2000-05-23
Filing date: 2000-05-23
Publication date: 2003-03-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: invention can be used for compression and delivery of gaseous medium under pressure. Proposed rotary compressor contains stator consisting of middle and two side housing with bores in which shaft is installed in bearings, and rotor made in form of disk rigidly secured on hub installed on shaft for displacement along its axis and receiving of torque from shaft. Rotary compressor operates on principle of formation of variable volumes in spaces formed by profiles of rotor and stator in process of simultaneous rotation and reciprocation of rotor made in form of disk whose end face surfaces being curvilinear surfaces between two fixed working surfaces of side housings. EFFECT: increased capacity of compressor, reduced materials usage owing to reduction of overall dimensions. 3 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к компрессорам со сложным движением ротора и может быть использовано для сжатия и подачи газообразного рабочего тела под давлением. The invention relates to compressors with a complex movement of the rotor and can be used to compress and supply a gaseous working fluid under pressure.

Известен компрессор, содержащий статор, состоящий из среднего корпуса с всасывающим окном и выпускным нагнетательным клапаном и двух боковых корпусов, ротор, располагающийся в выточке среднего корпуса на эксцентриковом валу и совершающий в ней планетарное движение [1]. Форма выточки в среднем корпусе представляет собой цилиндрическую поверхность с направляющей кривой в виде или трохоиды, или внешней огибающей семейства трохоид при их планетарном движении, аналогичном движению ротора. Рабочая поверхность ротора также представляет собой цилиндрическую поверхность. Эксцентриковый вал установлен в подшипниках, расположенных в боковых корпусах. Недостатком данной конструкции является то, что она имеет эксцентриковый вал, который подвержен действию изгибающих нагрузок, передача крутящего момента на этот вал осуществляется через шестеренчатую передачу, габариты роторно-поршневого компрессора зависят от передаточного отношения шестеренчатой передачи. A known compressor containing a stator, consisting of a middle housing with a suction window and an outlet discharge valve and two side housings, a rotor located in the undercut of the middle housing on an eccentric shaft and performing planetary motion in it [1]. The shape of the groove in the middle case is a cylindrical surface with a guiding curve in the form of either a trochoid or an external envelope of the trochoid family during their planetary movement, similar to the movement of the rotor. The working surface of the rotor is also a cylindrical surface. The eccentric shaft is mounted in bearings located in the side housings. The disadvantage of this design is that it has an eccentric shaft, which is subject to bending loads, torque is transmitted to this shaft through a gear transmission, the dimensions of a rotary piston compressor depend on the gear ratio of the gear.

Задача изобретения заключается в создании компрессора с более высокой эффективностью работы при упрощении конструкции и уменьшении габаритов. The objective of the invention is to create a compressor with higher efficiency while simplifying the design and reducing the size.

Сущность изобретения заключается в том, что роторный компрессор содержит статор с впускными окнами и выпускными окнами с нагнетательными клапанами, состоящий из среднего корпуса с внутренней цилиндрической расточкой, вал, установленный в подшипниках, и ротор. Отличие предлагаемого устройства от известного состоит в том, что росточки боковых корпусов расположены соосно внутренней цилиндрической поверхности среднего корпуса, ротор выполнен в виде диска, жестко установленного на ступице, которая установлена на валу с возможностью перемещения вдоль его оси, торцевые поверхности диска ротора представляют собой цилиндроид с двумя направляющими в виде пространственных замкнутых циклических гладких линий и прямолинейной образующей линией, проходящей под постоянным углом к плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, форма обращенных к торцевой поверхности диска ротора поверхностей боковых корпусов определяется огибающей теоретических положений торцевой поверхности диска ротора в подвижной и неподвижной цилиндрических системах координат, у которых оси аппликат z совпадает с осью вращения ротора, из условия:

где φ и R - полярные координаты неподвижной цилиндрической системы координат - статора,
λ и R - полярные координаты подвижной цилиндрической системы координат - ротора, начало отсчета углов φ и λ от образующей линии вершины профиля бокового корпуса и диска ротора соответственно,
ω - угол поворота подвижной системы координат вокруг оси аппликат,
A_T(φ) - функция, определяющая теоретическую траекторию движения ротора, то есть зависимость высоты подъема ротора от угла φ,
μ(λ,R) - функция, определяющая теоретическое положение точек поверхности диска ротора на угле λ и на расстоянии R от оси ротора,
z(φ,R) - функция, определяющая теоретическое значение аппликаты точек поверхности ротора на угле φ и на расстоянии R от оси ротора при повороте ротора на угол ω и сдвиге ротора на величину A_T(φ) вдоль оси аппликат,
в среднем корпусе статора выполнены дополнительные впускные окна, количество которых равно удвоенному числу периодов профиля ротора и статора, нагнетательный клапан расположен в среднем корпусе в зоне точки перегиба направляющей линии криволинейной поверхности бокового корпуса между впадиной и вершиной по ходу движения ротора, количество нагнетательных клапанов равно удвоенному числу периодов профиля ротора и статора.The essence of the invention lies in the fact that the rotary compressor comprises a stator with inlet ports and outlet ports with pressure valves, consisting of a middle housing with an inner cylindrical bore, a shaft mounted in bearings and a rotor. The difference between the proposed device and the known one is that the sprouts of the side housings are aligned with the inner cylindrical surface of the middle case, the rotor is made in the form of a disk rigidly mounted on the hub, which is mounted on the shaft with the ability to move along its axis, the end surfaces of the rotor disk are cylindroid with two guides in the form of spatial closed cyclic smooth lines and a rectilinear generatrix line passing at a constant angle to the plane, perpendicular of the rotor rotational axis, the shape of the surfaces of the side housings facing the end surface of the rotor disk is determined by the envelope of the theoretical positions of the end surface of the rotor disk in the movable and fixed cylindrical coordinate systems in which the applicate axis z coincides with the axis of rotation of the rotor, from the condition:

where φ and R are the polar coordinates of a fixed cylindrical coordinate system - stator,
λ and R are the polar coordinates of the moving cylindrical coordinate system - rotor, the origin of the angles φ and λ from the generatrix line of the vertex profile of the side casing and the rotor disk, respectively,
ω is the angle of rotation of the moving coordinate system around the applicate axis,
A _T (φ) is a function that determines the theoretical trajectory of the rotor, that is, the dependence of the height of the rotor on the angle φ,
μ (λ, R) is a function that determines the theoretical position of the points of the surface of the rotor disk at an angle λ and at a distance R from the axis of the rotor,
z (φ, R) is a function that determines the theoretical value of the applicates of the points of the rotor surface at an angle φ and at a distance R from the axis of the rotor when the rotor is rotated through an angle ω and the rotor is shifted by the value A _T (φ) along the applicate axis,
additional inlet windows are made in the middle stator housing, the number of which is equal to twice the number of rotor and stator profile periods, the discharge valve is located in the middle case in the zone of the inflection point of the guide line of the curved surface of the side housing between the cavity and the top along the rotor, the number of discharge valves is equal to twice the number of periods of the profile of the rotor and stator.

Во втором варианте торцевые поверхности диска ротора представляют собой коноид с направляющими в виде пространственной замкнутой циклической гладкой линии и прямой линии, совпадающей с осью вращения ротора, причем образующей линией является прямая линия, проходящая через обе направляющие под постоянным углом к оси вращения ротора. In the second embodiment, the end surfaces of the rotor disk are a conoid with guides in the form of a spatial closed cyclic smooth line and a straight line coinciding with the axis of rotation of the rotor, the line being a straight line passing through both guides at a constant angle to the axis of rotation of the rotor.

Технический результат, который получается от использования изобретения, заключается в повышении производительности компрессора за счет увеличения количества рабочих циклов до 2•n (удвоенного числа периодов профиля ротора и статора) за один оборот приводного вала, увеличении вытесняемого объема рабочего тела за один рабочий цикл до V•n, где V - объем одной рабочей полости компрессора, в экономии материалов из-за уменьшения габаритов. The technical result that is obtained from the use of the invention is to increase compressor productivity by increasing the number of duty cycles to 2 • n (twice the number of rotor and stator profile periods) per revolution of the drive shaft, increasing the displaced volume of the working fluid in one working cycle to V • n, where V is the volume of one working cavity of the compressor, in the saving of materials due to the reduction in size.

Действие роторного компрессора основано на возможности осуществления одновременного кругового и возвратно-поступательного движения подвижного элемента (ротора), выполненного в виде диска, торцевые поверхности которого представляют собой две криволинейные поверхности, между двумя неподвижными рабочими поверхностями боковых корпусов, являющимися огибающими положений криволинейных поверхностей диска ротора при его движении по заданной траектории. The action of the rotary compressor is based on the possibility of simultaneous circular and reciprocating movement of the movable element (rotor), made in the form of a disk, the end surfaces of which are two curved surfaces, between two stationary working surfaces of the side housings, which are envelopes of the provisions of the curved surfaces of the rotor disk when its movement along a given trajectory.

На фиг.1 показано изображение роторного компрессора (вид сбоку со снятой крышкой), на фиг. 2 показан продольный разрез роторного компрессора по сечению А-А, на фиг.3 - показана раскладка основных деталей роторного компрессора, на фиг. 4-8 - развертки направляющих линий рабочих поверхностей статора и ротора роторного компрессора в различных фазах работы. Fig. 1 shows an image of a rotary compressor (side view with cover removed); Fig. 2 shows a longitudinal section of a rotary compressor along section AA, FIG. 3 shows a layout of the main parts of a rotary compressor, FIG. 4-8 - sweep of the guide lines of the working surfaces of the stator and rotor of the rotary compressor in various phases of operation.

Устройство содержит ротор, состоящий из диска 1 ротора, жестко закрепленного на ступице 2 ротора, статор, состоящий из среднего корпуса 3 и боковых корпусов 4 и 5, рабочие торцевые поверхности которых располагаются навстречу друг другу. При этом профили рабочих торцевых поверхностей боковых корпусов могут быть разными (общий случай) или одинаковыми при симметричной форме траектории движения ротора и зеркальном расположении рабочих профилей ротора, конгруэнтных между собой. Боковые корпуса 4 и 5 с целью их точной и жесткой установки связаны со средним корпусом 3 при помощи штифтов и других крепежных элементов и закрыты крышками 6 и 7. В среднем корпусе 3 и боковых корпусах 4 и 5 расположены каналы системы охлаждения роторного компрессора. Ступица ротора установлена на валу 8 (шлицевом, квадратном и т.д.) между боковыми корпусами 4 и 5 с возможностью перемещения вдоль оси вала 8 и передачи на нее с вала 8 крутящего момента. Вал 8 установлен в подшипниках 9 и 10, которые в свою очередь установлены в цилиндрических проточках боковых корпусов 4 и 5 соосно с внутренней цилиндрической поверхностью среднего корпуса 3. Диск 1 жестко закреплен на ступице 2 при помощи штифтов 11. На валу 8 крепится шкив 12 для привода ротора. Корпус 3 имеет впускные окна 13 и 14, через которые в рабочую полость роторного насоса всасывается газ, и выпускные окна 15 и 16 с нагнетательными клапанами 17, через которые сжатый газ нагнетается в трубопровод. Впускные окна 13 и 14 расположены в области вершин профилей боковых корпусов. Перекрытие окон 13 и 14 производится самим ротором при его движении. The device comprises a rotor, consisting of a rotor disk 1, rigidly mounted on the rotor hub 2, a stator, consisting of a middle housing 3 and side housings 4 and 5, the working end surfaces of which are located towards each other. Moreover, the profiles of the working end surfaces of the side housings can be different (general case) or the same with a symmetrical shape of the trajectory of the rotor and a mirror arrangement of the working profiles of the rotor congruent to each other. The side casings 4 and 5, for the purpose of their accurate and rigid installation, are connected to the middle housing 3 using pins and other fasteners and are closed by covers 6 and 7. In the middle housing 3 and side casings 4 and 5, the channels of the rotary compressor cooling system are located. The rotor hub is mounted on the shaft 8 (spline, square, etc.) between the side housings 4 and 5 with the possibility of moving along the axis of the shaft 8 and transmitting torque to it from the shaft 8. The shaft 8 is installed in bearings 9 and 10, which in turn are mounted in the cylindrical grooves of the side housings 4 and 5 coaxially with the inner cylindrical surface of the middle housing 3. The disk 1 is rigidly mounted on the hub 2 using pins 11. A pulley 12 is mounted on the shaft 8 rotor drive. The housing 3 has inlet windows 13 and 14, through which gas is sucked into the working cavity of the rotary pump, and outlet windows 15 and 16 with discharge valves 17, through which the compressed gas is pumped into the pipeline. The inlet windows 13 and 14 are located in the region of the vertices of the profiles of the side housings. The windows 13 and 14 are overlapped by the rotor itself during its movement.

К корпусу 3 статора крепятся впускные коллектора 18 (фиг.1) таким образом, что проходные сечения коллекторов совпадают с проходными сечениями впускных окон. Уплотнительные элементы 19 между цилиндрической поверхностью диска 1 и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 3 выполнены в форме полосы, подобной направляющей линии рабочей поверхности ротора. Уплотнительные элементы 20 между наружной цилиндрической поверхностью ступицы 2 и цилиндрической расточкой боковых корпусов 4 и 5 выполнены в форме полосы, подобной внутренней направляющей линии рабочей поверхности ротора. На выступах рабочей поверхности боковых корпусов 4 и 5 расположены уплотнения 21 (фиг. 4-8). Граница предельной конфигурации впускного окна определяется расположением соответствующих участков уплотнительного элемента 19 в момент крайнего положения осевого сдвига диска ротора (момент закрытия окон), в момент соприкосновения точек перегиба профиля диска ротора и профиля бокового корпуса при движении ротора из "нижнего" положения в "верхнее" (момент максимального раскрытия впускного окна) и в момент соприкосновения точек перегиба профиля диска ротора и профиля бокового корпуса при движении ротора из "верхнего" положения в "нижнее". The intake manifolds 18 are attached to the stator housing 3 (Fig. 1) so that the passage sections of the collectors coincide with the passage sections of the intake windows. The sealing elements 19 between the cylindrical surface of the disk 1 and the inner cylindrical surface of the housing 3 are made in the form of a strip, similar to the guide line of the working surface of the rotor. The sealing elements 20 between the outer cylindrical surface of the hub 2 and the cylindrical bore of the side housings 4 and 5 are made in the form of a strip, similar to the inner guide line of the working surface of the rotor. On the protrusions of the working surface of the side housings 4 and 5 are seals 21 (Fig. 4-8). The boundary of the limiting configuration of the inlet window is determined by the location of the corresponding sections of the sealing element 19 at the moment of the extreme position of the axial shift of the rotor disk (the moment of closing the windows), at the moment of contact of the inflection points of the rotor disk profile and the side housing profile when the rotor moves from the "lower" position to the "upper" (moment of maximum opening of the inlet window) and at the moment of contact of the inflection points of the rotor disk profile and the side housing profile when the rotor moves from the "upper" position to the "lower "

Устройство работает следующим образом. На фиг. 4 показано крайнее "верхнее" положение ротора. При этом в полостях 23, 25, 27 и 29 продолжается выдавливание в трубопровод через окна 15 с клапанами 17 сжатого газа, в полостях 30, 31, 32 и 33 закончился процесс впуска газа через окна 14. При вращении вала 8 ротор сдвигается, открывая тем самым окна 13 для впуска газа (фиг.5, 6) в полости 22, 24, 26 и 28 и сжимая газ в полостях 30, 31, 32 и 33 с одновременным выдавливанием его в нагнетательный трубопровод через выпускные окна 16 с клапанами 17. Вышеуказанный процесс протекает до достижения ротором крайнего нижнего положения, при этом полости 30, 31, 32, 33 становятся вспомогательными и появляются полости 34, 35, 36 и 37 (фиг.7), в которые при движении ротора "вверх" будет всасываться газ через окна 14 (фиг. 8). Перемещение ротора "вверх" аналогично описанному перемещению "вниз". Ротор поднимается до верхнего крайнего положения (фиг.4), после чего вышеописанный процесс повторяется. The device operates as follows. In FIG. 4 shows the extreme “upper” position of the rotor. At the same time, in the cavities 23, 25, 27 and 29, extrusion of compressed gas into the pipeline through the windows 15 with valves 17 continues, in the cavities 30, 31, 32 and 33 the process of gas inlet through the windows 14 has ended. When the shaft 8 rotates, the rotor moves, opening thereby the windows 13 for the gas inlet (Figs. 5, 6) in the cavity 22, 24, 26 and 28 and compressing the gas in the cavities 30, 31, 32 and 33 while extruding it into the discharge pipe through the outlet windows 16 with valves 17. The above the process proceeds until the rotor reaches its lowest position, while the cavities 30, 31, 32, 33 become auxiliary cavities and appear cavities 34, 35, 36 and 37 (Fig. 7), into which when the rotor moves up, gas will be absorbed through the windows 14 (Fig. 8). The upward movement of the rotor is similar to the described downward movement. The rotor rises to the upper extreme position (figure 4), after which the above process is repeated.

Источник информации
1. Сухомлинов Р.М. Трохоидные роторные компрессоры. Харьков: Вища школа, 1975, стр.71, рис.35.Sourse of information
1. Sukhomlinov R.M. Trochoid rotary compressors. Kharkov: Vishka school, 1975, p. 71, fig. 35.

Claims

1. A rotary compressor comprising a stator with inlet ports and outlet ports with pressure valves, consisting of a middle housing with a cylindrical bore, two side housings with bores, a shaft mounted in bearings, and a rotor, characterized in that the bores of the side housings are aligned with the inner cylindrical surface of the middle case, the rotor is made in the form of a disk rigidly mounted on the hub, which is mounted on the shaft with the ability to move along its axis, the end surfaces of the dis the rotor cages are cylindroid with two guides in the form of spatially closed cyclic smooth lines and a straight line forming at a constant angle to a plane perpendicular to the axis of rotation of the rotor, the shape of the surfaces of the side casings facing the end surface of the disk is determined by the envelope of the theoretical positions of the end surface of the rotor disk in movable and fixed cylindrical coordinate systems, in which the axis of applicate z coincide with the axis of rotation of the rotor, from the condition:

where φ and R are the polar coordinates of a fixed cylindrical coordinate system - stator;
λ and R are the polar coordinates of the moving cylindrical coordinate system - rotor, the origin of the angles φ and λ from the generatrix line of the vertex profile of the side casing and the rotor disk, respectively;
ω is the angle of rotation of the moving coordinate system around the axis of the applicate;
A _T (φ) is a function that determines the theoretical trajectory of the rotor, that is, the dependence of the height of the rotor on the angle φ;
μ (λ, R) is a function that determines the theoretical position of the points on the surface of the rotor disk at an angle λ and at a distance R from the axis of the rotor;
z (φ, R) is a function that determines the theoretical value of the applicates of the points of the rotor surface at an angle φ and at a distance R from the axis of the rotor when the rotor is rotated through an angle ω and the rotor is shifted by the value A _T (φ) along the applicate axis,
additional inlet windows are made in the middle stator housing, the number of which is equal to twice the number of rotor and stator profile periods, the discharge valve is located in the middle case in the zone of the inflection point of the guide line of the curved surface of the side housing between the cavity and the top along the rotor, the number of discharge valves is equal to twice the number of periods of the profile of the rotor and stator.

2. A rotary compressor comprising a stator with inlet ports and outlet ports with pressure valves, consisting of a middle housing with a cylindrical bore, two side housings with bores, a shaft mounted in bearings, and a rotor, characterized in that the bores of the side housings are aligned with the inner cylindrical surface of the middle case, the rotor is made in the form of a disk rigidly mounted on the hub, which is mounted on the shaft with the ability to move along its axis, the end surfaces of the dis the rotor cages are a conoid with guides in the form of a spatial closed cyclic smooth line and a straight line coinciding with the axis of rotation of the rotor, the line being a straight line passing through both guides at a constant angle to the axis of rotation of the rotor, the shape of the surfaces facing the end surface of the disk of the lateral housings is determined by the envelope of the theoretical positions of the end surface of the rotor disk in the movable and fixed cylindrical coordinate systems for which the applicate axis z coincides give with the axis of rotation of the rotor, from the condition: