RU2272149C2

RU2272149C2 - Rotary-piston machine

Info

Publication number: RU2272149C2
Application number: RU2004116831/06A
Authority: RU
Inventors: Тимур Бердиевич Мирзоев (RU); Тимур Бердиевич Мирзоев; Елена Тимуровна Мирзоева (RU); Елена Тимуровна Мирзоева
Original assignee: Тимур Бердиевич Мирзоев; Елена Тимуровна Мирзоева
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2006-03-20
Also published as: RU2004116831A

Abstract

FIELD: mechanical engineering; compressor, engine, pump or gas-expansion machine.

SUBSTANCE: proposed machine has housing, cover, at least two pairs of chuck plates with projection on one chuck plate of pair and cavity on other one, getting into each other to form closed spaces. Axes of rotation of chuck plates are displaced to one side relative to axis of rotation of drive shaft through equal valve. Each pair of chuck plates is hinge-connected with one of clutch members turned circumferentially relative to each other through 90° and connected to each other and to drive shaft.

EFFECT: improved reliability and increased service life of machine owing to equalizing of moments of tangential inertia forces and provision of high uniformity rotation of shaft.

1 dwg

Description

Изобретение относится к энергетическим машинам и может быть использовано в качестве компрессоров, насосов, насос-компрессоров, двигателей и расширительных машин.The invention relates to power machines and can be used as compressors, pumps, pump-compressors, engines and expansion machines.

Известна роторно-поршневая машина Алеши (RU пат. №2125163, МПК⁷ F 01 В 13/06, F 04 В 1/22 опубл. 20.01.99 г.), содержащая корпус, крышку, подшипники, блок цилиндров с радиально расположенными цилиндрами, две планшайбы, оси вращения которых смещены относительно оси вращения блока цилиндров, оппозитные поршни равных масс и равноудаленных от центра вращения, каждый из которых шарнирно соединен в центре его массы пальцем с блоком цилиндров и одной из планшайб.Alyosha's rotary piston machine is known (RU Pat. No. 2125163, IPC ⁷ F 01 B 13/06, F 04 B 1/22 publ. 20.01.99), comprising a housing, a cover, bearings, a cylinder block with radially arranged cylinders , two faceplates, the axis of rotation of which are offset from the axis of rotation of the cylinder block, opposed pistons of equal masses and equally spaced from the center of rotation, each of which is pivotally connected in the center of its mass with a finger to the cylinder block and one of the faceplates.

В этой роторно-поршневой машине вследствие оппозитного расположения поршней с равноудаленностью от центра вращения блока цилиндров, приводящей к увеличению габаритов и массе машины при заданной производительности, получают низкое значение коэффициента объемного использования машины.In this rotary piston machine, due to the opposite arrangement of the pistons with equidistance from the center of rotation of the cylinder block, leading to an increase in the dimensions and weight of the machine at a given performance, a low value of the volumetric utilization coefficient of the machine is obtained.

Известна роторно-поршневая машина (заявка №2002121789/06 (022652) от 07.08.2002 г., решение о выдаче патента на изобретение от 08.01.2004 г., МПК⁷ F 01 В 13/06, F 04 B 1/22, содержащая корпус, крышку, подшипники, две планшайбы, образующие пару и снабженные одна выступом, а другая - впадиной, которые входят друг в друга, образуя замкнутые полости, пальцы с оппозитными поршнями равных масс и равноудаленных от центра вращения, шарнирно установленные в отверстиях полумуфты, а оси вращения планшайб смещены в одну сторону относительно оси вращения вала привода.Known rotary piston machine (application No. 2002121789/06 (022652) from 08/07/2002, the decision to grant a patent for the invention from 01/08/2004, IPC ⁷ F 01 B 13/06, F 04 B 1/22, comprising a housing, a cover, bearings, two faceplates, forming a pair and provided with one protrusion and the other with a hollow, which enter into each other, forming closed cavities, fingers with opposite pistons of equal masses and equidistant from the center of rotation, pivotally mounted in the half-coupling holes, and the axis of rotation of the plates are shifted to one side relative to the axis of rotation of the drive shaft.

Данная роторно-поршневая машина наиболее близка к предлагаемой.This rotary piston machine is closest to the one offered.

Недостатком этой роторно-поршневой машины является понижение ее надежности и ресурса при работе на высоких частотах вращения вследствие значительного повышения величин переменных моментов тангенциальных составляющих инерционных сил планшайб при их неравномерном вращении.The disadvantage of this rotary piston machine is a decrease in its reliability and service life when operating at high rotational speeds due to a significant increase in the magnitudes of the variable moments of the tangential components of the inertial forces of the faceplates during their uneven rotation.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей машины, повышение ее надежности и ресурса при работе в диапазоне как низких, так и высоких частот вращения.The objective of the invention is to expand the functionality of the machine, increasing its reliability and resource when working in the range of both low and high speeds.

Для достижения указанного технического результата в роторно-поршневой машине, содержащей корпус, крышку, подшипники, две планшайбы, образующие пару и снабженные одна выступом, другая - впадиной, которые входят друг в друга, образуя замкнутые полости, а оси вращения планшайб смещены в одну сторону относительно оси вращения вала привода, пальцы с оппозитными поршнями равных масс и равноудаленных от центра вращения, шарнирно установленные в отверстиях полумуфты, согласно изобретению, машина дополнительно снабжена, по крайней мере, одной парой планшайб, а каждая пара планшайб соединена шарнирно с одной из полумуфт, повернутых в окружном направлении относительно друг друга на угол 90° и закрепленных между собой и с валом привода, при этом оси вращения планшайб смещены относительно оси вращения вала привода на одинаковую величину.To achieve the specified technical result in a rotary piston machine containing a housing, a cover, bearings, two faceplates, forming a pair and provided with one protrusion, the other with a hollow, which enter into each other, forming closed cavities, and the axis of rotation of the faceplates are shifted to one side relative to the axis of rotation of the drive shaft, fingers with opposing pistons of equal masses and equidistant from the center of rotation, pivotally mounted in the holes of the coupling half, according to the invention, the machine is further provided with at least one pair oh the faceplate, and each pair of faceplates is pivotally connected to one of the coupling halves, rotated in a circumferential direction relative to each other by an angle of 90 ° and fixed to each other and with the drive shaft, while the axis of rotation of the faceplates are offset by the same amount relative to the axis of rotation of the drive shaft.

Отличительными признаками предлагаемой роторно-поршневой машины от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, является наличие дополнительной по крайней мере одной пары планшайб, а каждая пара планшайб соединена шарнирно с одной из полумуфт, повернутых в окружном направлении относительно друг друга на угол 90° и закрепленных между собой и с валом привода, при этом оси вращения планшайб смещены относительно оси вращения вала привода на одинаковую величину.The distinctive features of the proposed rotary piston machine from the above known, closest to it, is the presence of an additional at least one pair of faceplates, and each pair of faceplates is pivotally connected to one of the coupling halves rotated in a circumferential direction relative to each other by an angle of 90 ° fixed between themselves and with the drive shaft, while the axis of rotation of the plates are offset by the same amount relative to the axis of rotation of the drive shaft.

Благодаря наличию этих признаков была достигнута динамическая сбалансированность выходных звеньев машины, уравновешенность радиальных и осевых составляющих газовых сил, уравновешенность моментов сил инерции, что позволило создать роторно-поршневую машину с симметричными газовыми и инерционными силами и моментами, позволяющими работать в диапазоне как низких, так и высоких частот вращения с заданными показателями надежности и ресурса.Due to the presence of these signs, a dynamic balance was achieved between the output links of the machine, the balance of the radial and axial components of the gas forces, the balance of the moments of inertia forces, which made it possible to create a rotary piston machine with symmetrical gas and inertial forces and moments that allow working in the range of both low and high speeds with preset indicators of reliability and resource.

Предлагаемая роторно-поршневая машина может конкурировать по массогабаритным параметрам, коэффициенту полезного действия, надежности, ресурсу, быстроходности и технологичности с другими типами роторных машин объемного сжатия, например с винтовыми и спиральными компрессорами, а также с поршневыми компрессорами.The proposed rotary piston machine can compete in terms of weight and size, efficiency, reliability, service life, speed and manufacturability with other types of rotary volume compression machines, for example, screw and scroll compressors, as well as piston compressors.

Предлагаемая роторно-поршневая машина иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2, 3, 4, 5.The proposed rotary piston machine is illustrated by the drawings shown in figures 1, 2, 3, 4, 5.

На фиг.1 показан продольный разрез роторно-поршневой машины по линии А-А на фиг.2;Figure 1 shows a longitudinal section of a rotary piston machine along the line aa in figure 2;

На фиг.2 - разрез Б-Б, на фиг.1;In Fig.2 - section bB, in Fig.1;

На фиг.3 - разрез В-В на фиг.1;.Figure 3 is a section bb in figure 1 ;.

На фиг.4 - разрез Г-Г на фиг.1;Figure 4 is a section GG in figure 1;

На фиг.5 показаны графики изменения моментов тангенциальных составляющих сил инерции планшайб ±Mj, приведенных к оси вращения вала привода, в зависимости от его угла поворота φ.Figure 5 shows graphs of changes in the moments of the tangential components of the inertia forces of the plates ± Mj reduced to the axis of rotation of the drive shaft, depending on its rotation angle φ.

Роторно-поршневая машина содержит корпус 1 (фиг.1),крышки 2 и 3, проставки 4 и 5, содержащие соответственно подшипники 6 и 7, полумуфты 8 и 9, соединенные между собой через втулку 10 и с валом привода 11, две пары планшайб, одна из которых состоит из наружной планшайбы 12 (фиг.1, 2) и внутренней планшайбы 13, установленных одна в другой соосно с помощью подшипника 14 (фиг.1), с образованием между выступами и впадинами замкнутых полостей 15, 16, 17 и 18 (фиг.3), а вторая пара состоит аналогично первой паре из наружной планшайбы 19 (фиг.1, 4) и внутренней планшайбы 20, также установленных соосно с помощью подшипника 21 (фиг.1), с образованием замкнутых полостей 22, 23, 24 и 25 (фиг.4).The rotary piston machine comprises a housing 1 (Fig. 1), covers 2 and 3, spacers 4 and 5, respectively containing bearings 6 and 7, coupling halves 8 and 9, interconnected via a sleeve 10 and with a drive shaft 11, two pairs of faceplates , one of which consists of an outer faceplate 12 (FIGS. 1, 2) and an inner faceplate 13, mounted one in the other coaxially using a bearing 14 (FIG. 1), with the formation of closed cavities 15, 16, 17 between the protrusions and troughs 18 (FIG. 3), and the second pair consists, similarly to the first pair, of the outer faceplate 19 (FIGS. 1, 4) and the inner faceplate 20, also established coaxially with the help of the bearing 21 (figure 1), with the formation of closed cavities 22, 23, 24 and 25 (figure 4).

Первая пара планшайб 12 и 13 (фиг.1) установлена в подшипнике 6 проставка 4 и соединена шарнирно с помощью пальцев 26 и 27, установленных в отверстиях полумуфты 8, и оппозитных поршней 28 и 29, которые расположены в пазу 30 кронштейна 32 наружной планшайбы 12 и в пазу 31 кронштейна 33 внутренней планшайбы 13.The first pair of faceplates 12 and 13 (FIG. 1) is mounted in the bearing 6 spacer 4 and pivotally connected using fingers 26 and 27 mounted in the holes of the coupling half 8 and opposed pistons 28 and 29, which are located in the groove 30 of the bracket 32 of the outer faceplate 12 and in the groove 31 of the bracket 33 of the inner faceplate 13.

Вторая пара планшайб 19 и 20 аналогично первой паре установлена в подшипнике 7 проставка 5 и соединена также шарнирно с помощью пальцев 34 и 35 (фиг.2), установленных в отверстиях полумуфты 9 (фиг.1) и с оппозитных поршней 36 и 37 (фиг.2), которые также расположены в пазах 38 и 39 соответственно кронштейна 40 наружной планшайбы 19 (фиг.1) и кронштейна 41 внутренней планшайбы 20 (фиг.1).The second pair of faceplates 19 and 20, similarly to the first pair, are installed in the bearing 7, the spacer 5 and is also pivotally connected using the fingers 34 and 35 (figure 2) installed in the holes of the coupling half 9 (figure 1) and with the opposed pistons 36 and 37 (figure .2), which are also located in the grooves 38 and 39, respectively, of the bracket 40 of the outer faceplate 19 (FIG. 1) and of the bracket 41 of the inner faceplate 20 (FIG. 1).

Полумуфты 8 и 9 повернуты в окружном направлении относительно друг друга на угол 90°. Оси вращения планшайб 12, 13 и 19, 20 смещены относительно оси вращения вала привода 11 на одинаковую величину эксцентриситета "е".The coupling halves 8 and 9 are rotated in a circumferential direction relative to each other by an angle of 90 °. The axis of rotation of the plates 12, 13 and 19, 20 are offset relative to the axis of rotation of the shaft of the actuator 11 by the same amount of eccentricity "e".

Вал привода 11 установлен на выходном конце в подшипнике 42 (фиг.1).The drive shaft 11 is installed at the output end in the bearing 42 (figure 1).

Для герметизации масляных полостей установлены уплотнения 43, 44, 45 - на первой паре планшайб и уплотнения 46, 47, 48 - на второй паре планшайб.To seal the oil cavities, seals 43, 44, 45 are installed on the first pair of faceplates and seals 46, 47, 48 on the second pair of faceplates.

Для подачи газа к обеим парам планшайб в крышках 2 и 3 имеются входные отверстия 49 и 50.For supplying gas to both pairs of faceplates, covers 2 and 3 have inlet openings 49 and 50.

Газораспределительные органы на чертежах не показаны и могут быть выполненными как в теле выступов, так и в виде газораспределительных дисков, прилегающих к наружным торцовым поверхностям наружных планшайб 12 и 19 и закрепленных на валу привода 11.Gas distribution bodies are not shown in the drawings and can be made both in the body of the protrusions, and in the form of gas distribution disks adjacent to the outer end surfaces of the outer faceplates 12 and 19 and mounted on the drive shaft 11.

Роторно-поршневая машина работает следующим образом.A rotary piston machine operates as follows.

Вал привода 11 (фиг.1, 2) совместно с полумуфтами 8 и 9, пальцами 26, 27, 34 и 35, поршнями 28, 29, 36 и 37 вращаются с постоянной угловой скоростью ω₁ вокруг оси O₁. Крутящий момент от вала привода 11 передается первой паре планшайб 12 и 13 (фиг.1) через полумуфту 8, установленные в ее отверстиях шарнирно, пальцы 26, 27 и поршни 28, 29, а также второй паре планшайб 19 и 20 через полумуфту 9 (фиг.1), установленные в ее отверстиях шарнирно пальцы 34, 35 и поршни 36, 37 (фиг.2). При вращении вала привода 11 каждый поршень 28, 29, 36 и 37 (фиг.1, 2) совершают относительное перемещение в радиальном направлении соответственно в пазах 30 и 31 (фиг.1), выполненных в кронштейнах 32 и 33 планшайб 12 и 13 первой пары, а также в пазах 38 и 39 (фиг.2), выполненных в кронштейнах 40 и 41 планшайб 19 и 20 второй пары.The drive shaft 11 (figure 1, 2) together with the coupling halves 8 and 9, the fingers 26, 27, 34 and 35, the pistons 28, 29, 36 and 37 rotate with a constant angular velocity ω ₁ around the axis O ₁ . The torque from the drive shaft 11 is transmitted to the first pair of faceplates 12 and 13 (Fig. 1) through a coupling half 8, pivotally mounted in its holes, fingers 26, 27 and pistons 28, 29, as well as a second pair of faceplates 19 and 20 through the coupling half 9 ( figure 1) installed in its holes articulated fingers 34, 35 and pistons 36, 37 (figure 2). When the drive shaft 11 rotates, each piston 28, 29, 36, and 37 (Figs. 1, 2) perform relative radial movement in the grooves 30 and 31, respectively (Fig. 1), made in the brackets 32 and 33 of the faceplates 12 and 13 of the first pairs, as well as in the grooves 38 and 39 (figure 2), made in the brackets 40 and 41 of the faceplates 19 and 20 of the second pair.

Радиальное перемещение поршней 28, 29, и 36, 37 (фиг.1, 2) соответственно в пазах 30, 31 и 38, 39 происходит благодаря тому, что оси вращения планшайб 12, 13, 19 и 20 смещены относительно оси вращения вала привода 11. В связи с тем, что смещение осей вращения обеих пар планшайб выполнено на одинаковую величину, равную величине эксцентриситета "е", перемещение каждого поршня в пазах в течение одного оборота происходит на одинаковую величину, равную "2е". В результате такого движения выступы внутренних планшайб 13 первой пары и 20 второй пары (фиг.3, 4) при вращении совершают одинаковое угловое перемещение во впадинах соответственно наружных планшайб 12 первой пары (фиг.1) и 19 второй пары из одного крайнего положения в другое дважды в течение одного оборота. При этом изменяются объемы замкнутых полостей 15, 16, 17 и 18 в первой паре планшайб (фиг.9), а также полостей 22, 23, 24 и 25 во второй паре планшайб (фиг.4).The radial movement of the pistons 28, 29, and 36, 37 (Figs. 1, 2), respectively, in the grooves 30, 31 and 38, 39 is due to the fact that the axis of rotation of the plates 12, 13, 19 and 20 are offset relative to the axis of rotation of the drive shaft 11 Due to the fact that the displacement of the axis of rotation of both pairs of faceplates is made by the same amount equal to the eccentricity e, the movement of each piston in the grooves during one revolution occurs by the same amount equal to 2e. As a result of this movement, the protrusions of the inner faceplates 13 of the first pair and 20 of the second pair (FIGS. 3, 4) during rotation make the same angular movement in the troughs of the outer faces 12 of the first pair (FIG. 1) and 19 of the second pair, respectively, from one extreme position to another twice in one revolution. In this case, the volumes of the closed cavities 15, 16, 17, and 18 in the first pair of faceplates (Fig. 9), as well as the cavities 22, 23, 24, and 25 in the second pair of faceplates (Fig. 4), change.

Каждая планшайба 12, 13 первой пары (фиг.1) и 19, 20 второй пары в течение одного оборота вращается вокруг О₂ с переменными угловыми скоростями ω_н и ω_в и знакопеременными угловыми ускорениями.Each faceplate 12, 13 of the first pair (FIG. 1) and 19, 20 of the second pair during one revolution rotates around O ₂ with variable angular velocities ω _n and ω _in and alternating angular accelerations.

Возникающие при этом моменты тангенциальных сил инерции, действующие на наружную планшайбу 12, Mj_Н (фиг.5) и на внутреннюю планшайбу 13, Mj_В в первой паре, имеют в зависимости от угла поворота вала привода 11 противоположные знаки и неравны по абсолютным величинам, при каждом значении угла поворота вала привода φ.The moments of tangential inertial forces arising in this case, acting on the outer faceplate 12, Mj _H (Fig. 5) and on the inner faceplate 13, Mj _B in the first pair, have opposite signs and are unequal in absolute values, depending on the angle of rotation of the drive shaft 11, at each value of the angle of rotation of the drive shaft φ.

Результирующий момент тангенциальных сил инерции ΔMj₁, действующий на планшайбы 12 и 13 (фиг.3) первой пары, приведенный к валу привода 11, в зависимости от его угла поворота φ (фиг.5) имеет знакопеременный колебательный характер с прохождением нулевых значений через каждые ориентировочно 90° поворота вала привода 11.The resulting moment of tangential inertial forces ΔMj ₁ acting on the face plates 12 and 13 (Fig. 3) of the first pair, brought to the drive shaft 11, depending on its rotation angle φ (Fig. 5) has an alternating oscillatory character with zero values passing through each approximately 90 ° of rotation of the drive shaft 11.

Результирующий момент тангенциальных сил инерции ΔMj₂, действующий на планшайбы 19 и 20 (фиг.4) второй пары, имеет аналогичный характер. Благодаря тому, что характер изменения моментов сил инерции каждой пары планшайб в течение одного оборота одинаков, а две пары планшайб соединены каждая с одной из полумуфт повернутых в окружном направлении относительно друг друга на угол 90°, колебания моментов инерционных сил ΔMj₁ и ΔMj₂ совпадают по фазе, а их абсолютные значения равны между собой при каждом положении вала привода 11 в течение одного оборота. Это позволяет максимально уравновесить моменты тангенциальных сил инерции при приведении их к валу привода 11.The resulting moment of tangential inertia forces ΔMj ₂ acting on the faceplates 19 and 20 (Fig. 4) of the second pair has a similar character. Due to the fact that the nature of the change in the moments of inertia forces of each pair of faceplates during one revolution is the same, and two pairs of faceplates are connected each to one of the half-couplings rotated in a circumferential direction relative to each other by an angle of 90 °, the oscillations of the moments of inertial forces ΔMj ₁ and ΔMj ₂ coincide in phase, and their absolute values are equal to each other at each position of the drive shaft 11 for one revolution. This allows you to balance the moments of the tangential forces of inertia when bringing them to the drive shaft 11.

Возможные остаточные неуравновешенные значения моментов сил инерции уравновешиваются за счет маховых моментов, создаваемых массами полумуфт 8 и 9, то есть без введения в конструкцию специального маховика.Possible residual unbalanced values of the moments of inertia forces are balanced due to the flywheel moments created by the masses of coupling halves 8 and 9, that is, without introducing a special flywheel into the design.

Предлагаемая роторно-поршневая машина может быть выполнена, например, в качестве компрессора, в которой пары планшайб могут работать как параллельные ступени при одноступенчатом сжатии газа, так и в исполнении последовательного многоступенчатого сжатия газа.The proposed rotary piston machine can be performed, for example, as a compressor, in which pairs of faceplates can operate as parallel steps in single-stage compression of gas, and in the execution of sequential multi-stage compression of gas.

Возможно применение вместо пальцевого соединения других видов шарнирного соединения полумуфты с планшайбами, например сферических шарниров.It is possible to use, instead of a finger joint, other types of articulation of a half-coupling with faceplates, for example spherical joints.

Возможно также выполнения пазов не только в кронштейнах планшайб, но и в теле полумуфт.It is also possible to perform grooves not only in the brackets of the faceplates, but also in the body of the coupling halves.

Таким образом, предлагаемая роторно-поршневая машина при сохранении основных качеств прототипа, а именно симметричности действия осевых, радиальных и тангенциальных составляющих газовых инерционных сил и моментов позволяет ввести новое качество - уравновешивание моментов тангенциальных сил инерции, возникающих в результате вращения планшайб с переменными угловыми скоростями и ускорениями в течение одного оборота.Thus, the proposed rotary piston machine while maintaining the basic qualities of the prototype, namely, the symmetry of the axial, radial and tangential components of the gas inertial forces and moments, allows us to introduce a new quality - balancing the moments of the tangential inertia forces resulting from the rotation of the faceplates with variable angular velocities and accelerations during one revolution.

Это даст возможность создать уравновешенную роторно-поршневую машину с повышенными частотами вращения вала привода и планшайб, с сохранением высоких показателей надежности и ресурса, расширив таким образом ее функциональные возможности.This will make it possible to create a balanced rotary piston machine with increased rotational speeds of the drive shaft and faceplates, while maintaining high reliability and resource indicators, thus expanding its functionality.

Claims

A rotary piston machine comprising a housing, a cover, bearings, two faceplates, forming a pair and provided with one protrusion, the other with a hollow, which enter into each other, forming closed cavities, and the axis of rotation of the faceplates are shifted in one direction relative to the axis of rotation of the drive shaft, fingers with opposing pistons of equal masses and equidistant from the center of rotation are pivotally mounted in the holes of the coupling half, characterized in that the machine is additionally equipped with at least one pair of faceplates, and each pair of faceplates is pivotally connected to one of the coupling halves rotated in a circumferential direction relative to each other by an angle of 90 ° and fixed between each other and with the drive shaft, while the axis of rotation of the face plates are offset by the same amount relative to the axis of rotation of the drive shaft.