RU2448273C2 - Rotary screw machine - Google Patents

Rotary screw machine Download PDF

Info

Publication number
RU2448273C2
RU2448273C2 RU2009129774/06A RU2009129774A RU2448273C2 RU 2448273 C2 RU2448273 C2 RU 2448273C2 RU 2009129774/06 A RU2009129774/06 A RU 2009129774/06A RU 2009129774 A RU2009129774 A RU 2009129774A RU 2448273 C2 RU2448273 C2 RU 2448273C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rotor
rotors
screw
driven
screw machine
Prior art date
Application number
RU2009129774/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009129774A (en
Inventor
Владимир Иванович Матренин (RU)
Владимир Иванович Матренин
Михаил Николаевич Васьков (RU)
Михаил Николаевич Васьков
Андрей Виссарионович Карякин (RU)
Андрей Виссарионович Карякин
Виссарион Сосипатрович Карякин (RU)
Виссарион Сосипатрович Карякин
Максим Геннадьевич Русаков (RU)
Максим Геннадьевич Русаков
Александр Семенович Стихин (RU)
Александр Семенович Стихин
Алексей Александрович Сушков (RU)
Алексей Александрович Сушков
Сергей Александрович Токарев (RU)
Сергей Александрович Токарев
Original Assignee
Открытое акционерное общество "УРАЛЬСКИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "УРАЛЬСКИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ" filed Critical Открытое акционерное общество "УРАЛЬСКИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ"
Priority to RU2009129774/06A priority Critical patent/RU2448273C2/en
Publication of RU2009129774A publication Critical patent/RU2009129774A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2448273C2 publication Critical patent/RU2448273C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)

Abstract

FIELD: machine building.
SUBSTANCE: rotary screw machine includes housing 3, drive 1 and driven 2 rotors located in it. Screw surfaces of rotors 1, 2 have two adjacent sections which differ by strokes of coils, within the limits of each of which the surface profile remains constant, binding numbers of screw entries, external radii, length and profiles of screw surfaces of rotors.
EFFECT: higher capacity and efficiency of machine and lower noise level.
3 cl, 4 dwg

Description

Заявляемая роторная винтовая машина предназначена для сжатия газообразных сред и может быть использована в различных отраслях промышленности, где требуются газы с повышенным давлением. Возможно применение ее также в качестве вакуумного насоса. Заявляемое устройство является обратимым и может быть использовано в качестве экспандера (детандера) для преобразования энергии сжатого газа в механическую работу при его расширении. Комбинации компрессора и детандера с промежуточным нагревом или охлаждением газа позволяют использовать устройства в агрегатах, работающих по прямому или обратному термодинамическому циклу (в ДВС и холодильниках).The inventive rotary screw machine is designed to compress gaseous media and can be used in various industries where gases with high pressure are required. It can also be used as a vacuum pump. The inventive device is reversible and can be used as an expander (expander) for converting the energy of compressed gas into mechanical work during its expansion. The combination of a compressor and an expander with intermediate heating or cooling of gas allows the use of devices in units operating in the direct or reverse thermodynamic cycle (in internal combustion engines and refrigerators).

Роторная винтовая машина является устройством объемного сжатия газа, где роль поршней выполняют зубья одного ротора, перекатывающиеся по пазам другого. Большинство винтовых машин, применяемых в настоящее время в технике, основано на конструкции Лисхольма - см., например, Амосов П.Е. и др. (Винтовые компрессорные машины, Справочник. Ленинград: Машиностроение, 1977, с.67-68) [1]. Устройство имеет винтовые роторы с выпуклыми зубьями для ведущего ротора и вогнутыми впадинами для ведомого ротора. Число зубьев ведущего ротора - четыре, ведомого - шесть. Профили резьбы в плоскости, перпендикулярной осям вращения роторов, - сложные, асимметричные; длина винтовой поверхности - от 0,75 до 0,86 хода витков ведущего ротора PZ (от 270 до 310° по углу поворота).A rotary screw machine is a volumetric gas compression device, where the role of the pistons is played by the teeth of one rotor rolling over the grooves of another. Most of the screw machines currently used in technology are based on the Lishholm design - see, for example, Amosov P.E. and others (Screw compressor machines, Handbook. Leningrad: Engineering, 1977, p.67-68) [1]. The device has helical rotors with convex teeth for the driving rotor and concave cavities for the driven rotor. The number of teeth of the leading rotor is four, the driven one is six. Thread profiles in the plane perpendicular to the axis of rotation of the rotors are complex, asymmetric; the length of the screw surface is from 0.75 to 0.86 turns of the turns of the driving rotor P Z (from 270 to 310 ° in the rotation angle).

Недостатками данной конструкции компрессора являются:The disadvantages of this compressor design are:

1) пульсации давления и прерывистость подачи сжимаемого газа;1) pressure pulsations and intermittent supply of compressible gas;

2) обратные перетечки газа из полостей с более высоким давлением обратно в полости с более низким через зазоры между движущимися поверхностями роторов и корпусом.2) the backflow of gas from cavities with a higher pressure back into the cavity with a lower pressure through the gaps between the moving surfaces of the rotors and the housing.

Первая проблема и отчасти вторая связаны с тем, что винтовой компрессор подает сжимаемый газ отдельными порциями. Полости, содержащие порции газа, формируются в пазах винтов и ограничены по периферии роторов цилиндрическими поверхностями корпуса и по торцам роторов плоскостями корпуса (проставками) с окнами для напуска газа на входе и выпуска на выходе. Сжатие газа (изменение объема полости) происходит, когда полость не соединена с окнами, и осуществляется внедрением в паз данного ротора зуба противоположного ротора и перекатыванием его по пазу, пока, на определенной фазе вращения, полость не совместится с окном, через которое сжатый газ выдавливается в коммуникацию нагнетания. Во время сжатия выдачи газа из данного паза нет. Например, при степени сжатия по объему, равной трем, сжатие происходит за время ~3/4 оборота ротора и только за 1/4 оборота - выдача. Суммарный расход определяется последовательным подходом к окну полостей в разных пазах, смещенных по углу поворота роторов. При соответствующем согласовании степени сжатия и чисел зубьев (пазов) на роторах общий расход выравнивается, однако локальные пульсации (прерывистость) потока газа в такой конструкции неизбежны.The first problem, and partly the second, is related to the fact that the screw compressor delivers compressible gas in separate portions. Cavities containing portions of gas are formed in the grooves of the screws and are limited along the periphery of the rotors by the cylindrical surfaces of the housing and by the ends of the rotors by the planes of the housing (spacers) with windows for gas inlet and outlet. Gas compression (changing the volume of the cavity) occurs when the cavity is not connected to the windows and is introduced by inserting the opposite rotor tooth into the groove of this rotor and rolling it along the groove until, at a certain phase of rotation, the cavity is aligned with the window through which the compressed gas is squeezed out into injection communication. During compression, there is no gas emission from this groove. For example, when the compression ratio in volume is equal to three, compression occurs during ~ 3/4 of a rotor’s turn and only in 1/4 of a turn - output. The total flow rate is determined by the sequential approach to the cavity window in different grooves, offset by the angle of rotation of the rotors. With appropriate coordination of the compression ratio and the number of teeth (grooves) on the rotors, the total flow rate is equalized, however, local pulsations (discontinuities) of the gas flow in such a design are inevitable.

Вторая проблема, обратные перетечки газа, целиком обусловлена неправильно (некорректно) выбранной геометрией роторов - см. ниже. Все это снижает потребительские характеристики и долговечность устройства.The second problem, the reverse flow of gas, is entirely due to the wrong (incorrect) chosen geometry of the rotors - see below. All this reduces the consumer characteristics and durability of the device.

Слабым местом винтовых машин Лисхольма, таким образом, является наличие корпусных окон на входе и выходе газа, без которых в этой конструкции невозможно осуществить изменение объема отсеченной полости, т.е. сжатие газа. С этим связаны шум и повышенные гидравлические потери, локальная прерывистость выдачи, пульсации потока и давления, зачастую требующие использования ресиверов для сглаживания пульсаций. На роторы действуют переменные силы как в радиальном, так и в осевом направлениях, что затрудняет работу опор роторов и шестерен, согласующих вращение роторов. В смежных по углу вращения роторов полостях, находящихся в разных фазах процесса сжатия, давление различно; наличие зазоров между торцами роторов и корпусом приводит к тому, что перекачиваемая среда по этим зазорам под действием перепада давления частично перетекает из полостей с более высоким давлением обратно в полости с более низким. Это снижает производительность винтовой машины, ухудшает КПД, приводит к росту температуры перекачиваемой среды и самого устройства. Уменьшение зазоров снижает интенсивность перетекания, однако приводит из-за теплового расширения или неточности изготовления к повышению вероятности механического контакта поверхностей (вплоть до заклинивания).The weak point of Liesholm screw machines, therefore, is the presence of case windows at the gas inlet and outlet, without which it is impossible to change the volume of the cut-off cavity in this design, i.e. gas compression. This is associated with noise and increased hydraulic losses, local discontinuity of output, flow pulsation and pressure, often requiring the use of receivers to smooth out pulsations. Variable forces act on the rotors both in the radial and axial directions, which complicates the work of the supports of the rotors and gears, coordinating the rotation of the rotors. In cavities adjacent in the angle of rotation of the rotors located in different phases of the compression process, the pressure is different; the presence of gaps between the ends of the rotors and the housing leads to the fact that the pumped medium through these gaps under the influence of a pressure differential partially flows from cavities with a higher pressure back into the cavity with a lower pressure. This reduces the performance of the screw machine, worsens the efficiency, leads to an increase in the temperature of the pumped medium and the device itself. Reducing the gaps reduces the intensity of the overflow, however, due to thermal expansion or manufacturing inaccuracies, the probability of mechanical contact of surfaces (up to jamming) increases.

С целью снижения обратных перетечек в перекачиваемый газ добавляют жидкости (масла), блокирующие зазоры. Это требует создания устройств для улавливания жидкостей на выходе и подачи их на вход; кроме того, перекачиваемый газ в какой-то мере загрязняется жидкостью.In order to reduce backflows, liquids (oils) are added to the pumped gas, blocking gaps. This requires the creation of devices for capturing liquids at the outlet and supplying them to the inlet; In addition, the pumped gas is contaminated to some extent by the liquid.

Желание избавиться от торцевых проставок с окнами, т.е. от прерывистой выдачи газа и перетечек по торцевым зазорам, привело к необходимости создать конструкции, в которых в формировании порций перекачиваемой среды участвуют только винтовые поверхности роторов и цилиндрические поверхности корпуса, а сжатие газа осуществляется внутри роторов за счет уменьшения объема полости при ее перемещении вдоль осей роторов от входа газа к выходу.The desire to get rid of end spacers with windows, i.e. from intermittent gas and leakage over end gaps, it has become necessary to create designs in which only screw surfaces of rotors and cylindrical surfaces of the housing participate in the formation of portions of the pumped medium, and gas is compressed inside the rotors by reducing the volume of the cavity when moving along the axes of the rotors from gas inlet to outlet.

Известны конструкции с непрерывно или ступенчато изменяющейся вдоль оси роторов геометрией - уменьшающимся по длине шагом нарезки винтов, которые описаны в следующих патентах:Known designs with continuously or stepwise changing along the axis of the rotors geometry - decreasing along the length of the step of cutting screws, which are described in the following patents:

патент на изобретение США №3807911 (класс МПК F04C 18/08, дата приоритета 14.05.1973 г.) [2];US patent No. 3807911 (IPC class F04C 18/08, priority date 05/14/1973) [2];

авторское свидетельство СССР на изобретение №861738 (МПК F04C 18/16, дата приоритета 25.12.1979 г.) [3];USSR copyright certificate for invention No. 861738 (IPC F04C 18/16, priority date 12/25/1979) [3];

патент РФ на изобретение №2143590 (класс МПК F04C 18/16, дата приоритета 21.09.1998 г.) [4].RF patent for invention No. 2143590 (IPC class F04C 18/16, priority date 09/21/1998) [4].

Так, в заявке на изобретение США №2007/0041861 (класс МПК F01C 1/16, дата приоритета 22.08.2005 г.) [5] описан винтовой ротор и вакуумный насос. Устройство содержит одинаковые (симметричные) роторы, винтовые поверхности которых имеют два различающихся ходом витков смежных участка, в пределах каждого из которых профиль поверхности остается постоянным. Профили зубьев - прямоугольные, числа заходов винтов n/n, где n≥1. Для блокировки перетечек через зазоры используется масло.So, in the application for US invention No. 2007/0041861 (IPC class F01C 1/16, priority date 08/22/2005) [5] a screw rotor and a vacuum pump are described. The device contains the same (symmetrical) rotors, the helical surfaces of which have two different turns of adjacent sections, within each of which the surface profile remains constant. The tooth profiles are rectangular, the number of screw starts n / n, where n≥1. Oil is used to block overflows through gaps.

Известен винтовой насос с повышенной эффективностью всасывания, описанный в патенте США на изобретение №7484943 (класс МПК F04C 18/08, дата приоритета 11.08.2006 г.) [6]. Данное устройство содержит одинаковые (симметричные) роторы, винтовые поверхности которых имеют три различающихся ходом витков PZ смежных участка. По длине роторов (от входа к выходу) на первом участке PZ непрерывно уменьшается, в пределах второго и третьего остается постоянным. Профили зубьев сопряженные. Числа заходов винтов n/n, где n≥1; длина участков от 1 до 4·PZ; соотношение длин входного и выходного участков 3/1; соотношение PZ участков порядка полутора десятков. На выходе газа оставлены корпусные проставки с окнами.Known screw pump with increased suction efficiency, described in US patent for the invention No. 7484943 (IPC class F04C 18/08, priority date 08/11/2006) [6]. This device contains the same (symmetrical) rotors, the helical surfaces of which have three differing in the course of the turns P Z adjacent sections. Along the length of the rotors (from entrance to exit) in the first section, P Z continuously decreases, within the second and third it remains constant. Tooth profiles mated. The number of calls of screws n / n, where n≥1; length of sections from 1 to 4 · P Z ; the ratio of the lengths of the input and output sections 3/1; the ratio of P Z sections of the order of one and a half tens. At the gas outlet, housing spacers with windows are left.

Известен винтовой компрессор по патенту РФ на изобретение №2143590 (класс МПК F04C 18/16, дата приоритета 21.09.1998 г.) [7], принятый в качестве прототипа. В данной конструкции компрессора роторы имеют винтовые части, образованные однозаходной или двухзаходной резьбой, содержащей два смежных участка - формирующий и сжимающий. Угол наклона формирующих витков непрерывно уменьшается (PZ витков увеличивается), а угол наклона сжимающих витков непрерывно увеличивается (PZ витков уменьшается) по длине резьбы в сторону нагнетания. Длина первого участка 2·PZ; длина второго определяется необходимой степенью сжатия компрессора.Known screw compressor according to the patent of the Russian Federation for the invention No. 2143590 (IPC class F04C 18/16, priority date 09/21/1998) [7], adopted as a prototype. In this compressor design, the rotors have screw parts formed by single-thread or double-thread, containing two adjacent sections - forming and compressing. The angle of inclination of the forming turns is continuously decreasing (P Z of turns is increasing), and the angle of inclination of the compression turns is constantly increasing (P Z of turns is decreasing) along the length of the thread towards the discharge side. The length of the first section 2 · P Z ; the length of the second is determined by the required compression ratio of the compressor.

Каждый ротор имеет по две винтовые части на конструктивном удалении друг от друга, которые находятся в противофазе. Газ всасывается с двух концов роторов и подается в середину, что позволяет разгрузить опоры от осевых усилий.Each rotor has two screw parts at a structural distance from each other, which are in antiphase. Gas is sucked in from the two ends of the rotors and is fed into the middle, which allows unloading the bearings from axial forces.

Анализ показал, что в винтовом компрессоре без впускных и выпускных окон по торцам замкнутая полость занимает всю длину винтового паза в пределах хода витка; давление в ней практически одинаково по всей длине независимо от того, по какому закону изменяется геометрия паза на данном участке. Сжатие газа внутри роторов осуществляется за счет уменьшения объема полости при ее перемещении вдоль осей роторов от входа к выходу и определяется соотношением объемов, которые имеет отсеченная полость на входе и выходе газа.The analysis showed that in a screw compressor without inlet and outlet windows at the ends, a closed cavity occupies the entire length of the screw groove within the turn of the turn; the pressure in it is almost the same over the entire length, regardless of what law changes the geometry of the groove in this section. Compression of gas inside the rotors is carried out by reducing the volume of the cavity when it moves along the axis of the rotors from the entrance to the exit and is determined by the ratio of the volumes that the cut-off cavity has at the inlet and outlet of the gas.

Использование участков с длиной меньше, чем протяженность полностью сформированной (отсеченной) полости, приводит к неполному сжатию и неравномерности потока на выходе. Некорректно выбранное соотношение числа заходов нарезки ведущего и ведомого роторов и формы профиля зуба приводит к неустранимым даже при абсолютно точном изготовлении зазорам и не позволяет полностью изолировать порции перекачиваемой среды. Некоторые зазоры появляются и пропадают на определенной стадии вращения роторов. Неравномерность потока, пульсации давления и усилий на опоры, повышенный шум остаются, хотя и в меньшей степени, чем у Лисхольма. Выбранные произвольным образом соотношения длин смежных участков на роторах не позволяют согласовать внутреннюю степень сжатия, полученную на роторах, с требуемой внешней степенью сжатия, что является недостатками перечисленных выше устройств.The use of sections with a length less than the length of a fully formed (cut off) cavity leads to incomplete compression and uneven flow at the outlet. An incorrectly selected ratio of the number of visits of cutting of the leading and driven rotors and the shape of the tooth profile leads to unrecoverable clearances even with absolutely accurate manufacturing and does not completely isolate portions of the pumped medium. Some gaps appear and disappear at a certain stage of rotation of the rotors. The uneven flow, pressure pulsations and support forces, increased noise remain, albeit to a lesser extent, than in Lysholm. The arbitrarily selected ratios of the lengths of adjacent sections on the rotors do not allow matching the internal compression ratio obtained on the rotors with the required external compression ratio, which is a disadvantage of the above devices.

Задачей заявляемого технического решения является оптимизация конструкции, позволяющая снизить перетекания газа через зазоры, пульсации потока и шумность, повысить КПД, что достигается путемThe objective of the proposed technical solution is to optimize the design, which allows to reduce gas flow through the gaps, flow pulsations and noise, increase efficiency, which is achieved by

- создания теоретически беззазорной конструкции роторной винтовой машины, в которой имели бы место только допускаемые технологические зазоры между подвижными поверхностями;- creating a theoretically gapless design of a rotor screw machine, in which only permissible technological gaps between moving surfaces would take place;

- обеспечения максимально возможной равномерности выдачи сжатого/расширенного газа, снижения пульсаций давления;- ensuring the greatest possible uniformity in the delivery of compressed / expanded gas, reducing pressure pulsations;

- согласования внутренней степени сжатия на роторах компрессора или расширения экспандера с расчетной (наиболее часто используемой при эксплуатации).- coordination of the internal compression ratio on the rotors of the compressor or expansion of the expander with the calculated (most often used during operation).

Поставленная задача решается за счет того, что в роторной винтовой машине для сжатия/расширения газообразных сред, содержащей размещенную в цилиндрических расточках корпуса пару роторов, винтовые поверхности которых имеют два различающихся ходом витков смежных участка, в пределах каждого из которых профиль поверхности остается постоянным, одновременно выполняются следующие необходимые и достаточные условия:The problem is solved due to the fact that in a rotary screw machine for compressing / expanding gaseous media containing a pair of rotors placed in cylindrical bores of the housing, the screw surfaces of which have two adjacent sections differing in the course of the turns, within each of which the surface profile remains constant, at the same time The following necessary and sufficient conditions are satisfied:

число заходов ведущего ротора n1 связано с числом заходов ведомого ротора n2 соотношением n2=n1+1;the number of visits of the leading rotor n 1 is associated with the number of visits of the driven rotor n 2 by the ratio n 2 = n 1 +1;

радиусы вершин зубьев роторов связаны с межосевым расстоянием aw соотношениями

Figure 00000001
для ведомого ротора и
Figure 00000002
для ведущего ротора;the radii of the vertices of the teeth of the rotors are related to the interaxal distance a w by the relations
Figure 00000001
for driven rotor and
Figure 00000002
for the driving rotor;

поверхность зуба каждого участка ведущего ротора представляет собой эквидистанту, смещенную на величину Δ в тело ротора относительно поверхности, профиль которой в осевом сечении ротора описывается кривойthe tooth surface of each section of the driving rotor is an equidistant displaced by Δ in the rotor body relative to the surface, the profile of which in the axial section of the rotor is described by a curve

Figure 00000003
Figure 00000003

где PZ - ход витков винтовой поверхности данного участка ведущего ротора, z - координата вдоль оси ротора, ρ1≤R1 - расстояние от точки на кривой z11) до оси ротора, величина Δ обосновывается из конструктивных и технологических требований в зависимости от точности обработки винтовых поверхностей, размерами и материалом роторов, допустимого различия в нагреве роторов и корпуса;where P Z is the course of the turns of the screw surface of a given portion of the leading rotor, z is the coordinate along the axis of the rotor, ρ 1 ≤R 1 is the distance from the point on the curve z 11 ) to the axis of the rotor, Δ is justified from the design and technological requirements in depending on the accuracy of processing of screw surfaces, the size and material of the rotors, the permissible differences in the heating of the rotors and the housing;

поверхность зуба ведомого ротора сопряжена с поверхностью, профиль которой в осевом сечении есть z11);the tooth surface of the driven rotor is associated with a surface whose profile in the axial section is z 11 );

минимальная длина каждого участка, обеспечивающая возможность размещения на ней замкнутой полости, определяется выражением

Figure 00000004
, где b - параллельный оси размер прямолинейного участка вершин зубьев роторов;the minimum length of each section, providing the possibility of placing a closed cavity on it, is determined by the expression
Figure 00000004
where b is the size of the rectilinear portion of the tops of the teeth of the rotors parallel to the axis;

соотношение величин PZ смежных участков ротора равно расчетной (наиболее часто используемой при эксплуатации) степени сжатия/расширения роторной винтовой машины по объему.the ratio of the values of P Z of adjacent sections of the rotor is equal to the calculated (most often used during operation) degree of compression / expansion of the rotor screw machine in volume.

Это условия, которым должна удовлетворять оптимальная конструкция винтовой машины. При их соблюдении обеспечивается формирование сразу на двух роторах теоретически полностью изолированных полостей с изменяющимся при вращении роторов объемом (без использования корпусных окон по торцам роторов, периодически открывающихся для напуска всасываемого газа и выпуска сжатого). В конструкции остаются только технологические зазоры между подвижными поверхностями. Таким образом, пульсации давления и перетекание перекачиваемой среды по зазорам из полостей с более высоким давлением в полости с более низким сведено к минимуму.These are the conditions that the optimal design of a screw machine must satisfy. If they are followed, the formation of theoretically completely isolated cavities at once on two rotors is ensured with a volume changing during rotation of the rotors (without using case windows at the ends of the rotors, periodically opening to allow intake of suction gas and release of compressed). Only technological clearances between moving surfaces remain in the design. Thus, pressure pulsations and overflow of the pumped medium through gaps from cavities with a higher pressure in cavities with a lower pressure are minimized.

Дополнительной задачей оптимизации устройства является расширение вариантов использования роторной машины.An additional task of optimizing the device is to expand the use of the rotary machine.

Согласно патенту РФ на изобретение №2143590 [7] для уравновешивания осевых нагрузок используются сдвоенные роторы - на каждом роторе имеются две отделенные друг от друга винтовые части, находящиеся в противофазе.According to the RF patent for invention No. 2143590 [7], dual rotors are used to balance axial loads - on each rotor there are two antiphase separated screw parts.

Симметричные роторы, предложенные в патенте, позволяют использовать устройство только в качестве компрессора (либо только в качестве экспандера). Кроме того, объемные расходы, температура и давления на входе (выходе) газа в двух частях устройства могут быть разными - полной компенсации осевых нагрузок не получается.The symmetrical rotors proposed in the patent allow the device to be used only as a compressor (or only as an expander). In addition, the volumetric flow rates, temperature and pressure at the gas inlet (outlet) in two parts of the device can be different - full compensation of axial loads is not obtained.

Вариантом заявляемой конструкции винтовой роторной машины является возможность использования в ней ведущего и ведомого роторов сдвоенными, причем винтовые части роторов могут находиться как в противофазе, так и быть развернутыми на определенный угол, например на

Figure 00000005
радиан, что позволяет увеличить частоту выдачи сжимаемого газа, тем самым повысить равномерность работы роторной винтовой машины.A variant of the design of the rotor screw machine is the possibility of using the leading and driven rotors in it, and the screw parts of the rotors can be both in antiphase and can be deployed at a certain angle, for example,
Figure 00000005
radian, which allows to increase the frequency of delivery of the compressible gas, thereby increasing the uniformity of operation of the rotor screw machine.

Это позволяет сделать конструкцию более оптимальной и расширить условия ее эксплуатации - увеличить частоту выдачи порций сжимаемого газа, тем самым повысить равномерность работы роторной винтовой машины.This allows you to make the design more optimal and expand the conditions of its operation - to increase the frequency of delivery of portions of compressible gas, thereby increasing the uniformity of operation of the rotor screw machine.

Вариант использования в заявляемом устройстве сдвоенного ротора с одинаковым направлением витков обеих раздельных винтовых частей роторов позволяет совместить в одной роторной винтовой машине функции компрессора и экспандера (детандера), когда требуется сжать газ, пропустить его через какое-либо технологическое устройство, а затем расширить. Естественно, в этом случае компрессорная и экспандерная части должны быть разделены перегородкой. Работа расширения, передаваемая непосредственно через валы роторов, частично или полностью используется для привода компрессорной части. Разница работы сжатия и расширения при недостатке пополняется электродвигателем или, при избытке, выводится на генератор. Необходимость такого совмещения функций компрессора и экспандера существует, например, в холодильных агрегатах, двигателях внутреннего сгорания (как непосредственно, так и в системах турбонаддува), в электрохимических генераторах тока, тепловых насосах, в устройствах осушки газов и кондиционерах.The variant of using a twin rotor with the same direction of turns of both separate screw parts of the rotors in the inventive device allows combining the functions of a compressor and an expander (expander) in one rotary screw machine when it is necessary to compress the gas, pass it through some technological device, and then expand it. Naturally, in this case, the compressor and expander parts should be separated by a partition. The expansion work transmitted directly through the rotor shafts is partially or fully used to drive the compressor part. The difference in the work of compression and expansion with a deficiency is replenished with an electric motor or, in excess, is output to a generator. The need for such a combination of compressor and expander functions exists, for example, in refrigeration units, internal combustion engines (both directly and in turbocharging systems), in electrochemical current generators, heat pumps, in gas dehydration devices and air conditioners.

Конструкция заявляемого устройства и его варианты - вид в разрезе сопряженных винтов ведущего и ведомого роторов показаны на фигурах:The design of the claimed device and its variants is a sectional view of the mating screws of the driving and driven rotors shown in the figures:

Фиг.1 - конструкция заявляемой роторной винтовой машины с двумя роторами, имеющими два смежных винтовых участка с разным ходом витков.Figure 1 - design of the inventive rotor screw machine with two rotors having two adjacent screw sections with different travel turns.

Фиг.2 - профили ведущего и ведомого роторов заявляемой роторной винтовой машины в осевом сечении.Figure 2 - profiles of the leading and driven rotors of the inventive rotor screw machine in axial section.

Фиг.3 - вариант заявляемой роторной винтовой машины с двумя сдвоенными, уравновешенными разнонаправленными роторами.Figure 3 is a variant of the inventive rotary screw machine with two twin, balanced multidirectional rotors.

Фиг.4 - вариант заявляемой роторной винтовой машины с двумя сдвоенными одинаково направленными роторами, разделенными перегородкой. Конструкция, объединяющая компрессор и экспандер.Figure 4 is a variant of the inventive rotor screw machine with two twin equally directed rotors separated by a partition. A design combining a compressor and an expander.

На фиг.1 приведенная схема конструкции заявляемой роторной винтовой машины с роторами, имеющими два смежных винтовых участка, включает в себя ведущий (1) и ведомый (2) роторы, корпус (3) с крышками (4) и (5), шестерни (6), согласующие вращение роторов, камеры всасывания (7) и нагнетания (8), два смежных винтовых участка - участок с большим ходом (9) и участок с меньшим ходом (10), плоскость разделяющую участки с большим и меньшим ходом (11).Figure 1 shows the design structure of the inventive rotor screw machine with rotors having two adjacent screw sections, includes a leading (1) and driven (2) rotors, a housing (3) with covers (4) and (5), gears ( 6), coordinating the rotation of the rotors, suction chamber (7) and discharge (8), two adjacent screw sections - a section with a large stroke (9) and a section with a lower stroke (10), the plane dividing the sections with a larger and smaller stroke (11) .

На фиг.2 изображено осевое сечение роторов - расчетная схема, поясняющая параметры геометрии осевых профилей витков ведущего (1) и ведомого (2) роторов, используемых в формуле заявляемой конструкции роторной винтовой машины, где aW - межосевое расстояние;Figure 2 shows the axial section of the rotors — a design diagram explaining the geometry parameters of the axial profiles of the turns of the lead (1) and driven (2) rotors used in the formula of the inventive design of a rotor screw machine, where a W is the center distance;

ρ, z(ρ)- координаты профилей в осевом сечении в цилиндрической системе;ρ, z (ρ) are the coordinates of the profiles in the axial section in a cylindrical system;

R1 - наружный радиус ведущего ротора (1);R 1 is the outer radius of the driving rotor (1);

R2 - наружный радиус ведомого ротора (2);R 2 is the outer radius of the driven rotor (2);

b1=b2=b - параллельный оси размер прямолинейного участка вершин зубьев.b 1 = b 2 = b - parallel to the axis, the size of the rectilinear section of the tops of the teeth.

На фиг.3 изображен вариант выполнения заявляемой роторной винтовой машины, которая состоит из ведущего (1) и ведомого (2) роторов, корпуса (3) с крышками (4) и (5), шестерен (6), согласующих вращение роторов, камеры всасывания (7) и нагнетания (8). Роторы сдвоенные, уравновешенные за счет использования симметрично расположенных участков, винтовые поверхности которых могут быть разного диаметра и длины и развернуты, например, на угол

Figure 00000005
радиан. На каждом из симметричных участков смежные нарезки - с большим ходом (9) и с меньшим ходом (10).Figure 3 shows an embodiment of the inventive rotor screw machine, which consists of a leading (1) and driven (2) rotors, a housing (3) with covers (4) and (5), gears (6) matching the rotation of the rotors, the chamber suction (7) and discharge (8). The rotors are double, balanced through the use of symmetrically located sections, the screw surfaces of which can be of different diameters and lengths and are rotated, for example, at an angle
Figure 00000005
radian. In each of the symmetrical sections, adjacent cuts - with a large stroke (9) and with a lower stroke (10).

На фиг.4 приведен вариант заявляемой роторной винтовой машины, объединяющей компрессор и экспандер. Конструкция включает в себя корпус (3), в котором установлены сдвоенные ведущий (1) и ведомый (2) роторы, имеющие одинаковое направление витков, крышки (4) и (5), шестерни (6), согласующие вращение роторов, камеры всасывания (7) и нагнетания (8) компрессора. Соответственно, здесь дополнительно необходимы перегородка (12), разделяющая газовые полости компрессора и экспандера с разным давлением, и камеры (13) и (14) для входа сжатого газа в экспандер и выхода расширенного.Figure 4 shows a variant of the inventive rotary screw machine, combining a compressor and an expander. The design includes a housing (3), in which dual leading (1) and driven (2) rotors are installed, having the same direction of turns, covers (4) and (5), gears (6), which coordinate the rotation of the rotors, the suction chamber ( 7) and discharge (8) of the compressor. Accordingly, a partition (12), separating the gas cavities of the compressor and expander with different pressures, and chambers (13) and (14) for entering the compressed gas into the expander and expanding the outlet are additionally needed here.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Ведущий и ведомый роторы (1) и (2) формируют замкнутые полости с порциями перекачиваемой среды и, вращаясь, перемещают их в осевом направлении. За счет того что винтовые поверхности имеют два смежных участка (9) и (10) с разным ходом, объем порции перекачиваемой среды постепенно изменяется по мере перехода ее из одного участка в другой. Полный цикл - заполнение полости с ее отсечением, сжатие и выдача - происходит за 3 оборота ротора. Полости идут непрерывно, одна за другой, и в среднем за каждый оборот ротора выдается одна порция с каждого паза. Канал пережат зубьями смежного ротора в двух местах по длине (в крайних положениях - в трех). Пульсации потока кратковременны (только на время перехода участка пережатия через торцевую плоскость ротора на выходе) и составляют, например, 1/3 расхода при соотношении чисел заходов на роторах 2/3, а при сдвоенной конструкции (фиг.3) - 1/6 расхода.The inventive device operates as follows. The leading and driven rotors (1) and (2) form closed cavities with portions of the pumped medium and, rotating, move them in the axial direction. Due to the fact that the screw surfaces have two adjacent sections (9) and (10) with different strokes, the volume of a portion of the pumped medium gradually changes as it moves from one section to another. The full cycle - filling the cavity with its cut-off, compression and delivery - takes place over 3 turns of the rotor. The cavities go continuously, one after another, and on average, for each revolution of the rotor, one portion is issued from each groove. The channel is clamped by the teeth of the adjacent rotor in two places along the length (in extreme positions - in three). The flow pulsations are short-term (only for the transition time of the clamping section through the end plane of the rotor at the outlet) and make, for example, 1/3 of the flow rate with a ratio of the number of calls on the rotors 2/3, and with a dual design (Fig. 3) - 1/6 of the flow .

Предлагаемый способ формирования замкнутых полостей при условиях, указанных выше, и заявляемая конструкция роторной винтовой машины позволяют получить высокие характеристики без применения жидкости для блокировки перетечек газа через зазоры и устройств для улавливания ее на выходе и подачи на вход.The proposed method for forming closed cavities under the conditions indicated above, and the inventive design of a rotary screw machine allow to obtain high performance without the use of liquid to block gas flows through gaps and devices for trapping it at the outlet and feeding to the inlet.

Величины диаметров роторов и хода витков участков (9) и (10) выбирают исходя из требуемой объемной производительности и степени сжатия устройства.The values of the diameters of the rotors and the course of the turns of the sections (9) and (10) are selected based on the required volumetric productivity and the degree of compression of the device.

Если ход винтовой поверхности участка (9) (по направлению движения перекачиваемой среды) больше хода участка (10), происходит сжатие перекачиваемой среды -уменьшение объема с повышением давления. Подобные роторы могут быть применены в винтовых компрессорах и вакуумных насосах. Если ход участка (9) винтовой поверхности меньше хода участка (10), происходит расширение перекачиваемой среды с понижением ее давления. Подобные роторы могут быть применены в винтовых экспандерах (детандерах) и двигателях, преобразующих энергию сжатого газа в механическую работу.If the stroke of the screw surface of section (9) (in the direction of movement of the pumped medium) is greater than the course of section (10), the pumped medium is compressed — volume decreases with increasing pressure. Such rotors can be used in screw compressors and vacuum pumps. If the course of the section (9) of the screw surface is less than the course of the section (10), the pumped medium expands with a decrease in its pressure. Such rotors can be used in screw expanders (expanders) and engines that convert the energy of compressed gas into mechanical work.

Конструкция с однонаправленными участками может применяться в качестве компрессора-экспандера для сжатия газообразной среды и последующего ее расширения после обработки. Подобная задача возникает, например, в холодильной технике, где циркулирующий в замкнутом контуре хладагент вначале сжимают, затем (после охлаждения до температуры окружающей среды) расширяют до первоначального давления (с адиабатическим уменьшением температуры) и подают в охлаждаемую камеру. Компрессор-экспандер позволяет частично использовать работу расширения газа для процесса сжатия, что приводит к общему снижению затрат энергии на холодильный цикл и позволяет достичь более низких температур хладагента.The design with unidirectional sections can be used as an expander compressor for compressing a gaseous medium and its subsequent expansion after processing. A similar problem arises, for example, in refrigeration technology, where the refrigerant circulating in a closed circuit is first compressed, then (after cooling to ambient temperature) it is expanded to its initial pressure (with adiabatic temperature decrease) and fed to the cooled chamber. The compressor expander allows you to partially use the work of gas expansion for the compression process, which leads to an overall reduction in energy costs for the refrigeration cycle and allows you to achieve lower refrigerant temperatures.

Упомянутые выше варианты заявляемой роторной винтовой машины позволяют расширить диапазон ее применения.The above-mentioned variants of the inventive rotary screw machine can expand the range of its application.

Роторные винтовые машины заявляемой конструкции используются в производстве, при этом их объемная производительность (по условиям входа) достигает до 500 м3/час, а степень сжатия по давлению до 10. Применяемый на основе конструкции заявляемой роторной винтовой машины вариант воздушного компрессора-экспандера, приведенный на фиг.4, позволяет получить объемную производительность (по условиям входа), например, до 50 м3/час, а степень сжатия по давлению до 3.Rotary screw machines of the claimed design are used in production, while their volumetric capacity (by entry conditions) reaches up to 500 m 3 / h, and the compression ratio in pressure is up to 10. The version of the air compressor expander used on the basis of the design of the inventive rotary screw machine is shown figure 4, allows to obtain volumetric performance (according to the conditions of entry), for example, up to 50 m 3 / hour, and the compression ratio in pressure up to 3.

Claims (3)

1. Роторная винтовая машина для сжатия/расширения газообразных сред, содержащая корпус, расположенные в нем ведущий и ведомый (ведомые) роторы, винтовые поверхности которых имеют два различающихся ходом витков смежных участка, в пределах каждого из которых профиль поверхности остается постоянным, отличающаяся тем, что число заходов ведущего ротора n1 связано с числом заходов ведомого ротора n2 соотношением n2=n1+1; радиусы вершин зубьев роторов связаны с межосевым расстоянием аw соотношениями
Figure 00000006
для ведомого ротора и
Figure 00000002
для ведущего ротора; поверхность зуба ведущего ротора представляет собой эквидистанту, смещенную на величину Δ в тело ротора относительно поверхности, профиль которой в осевом сечении ротора описывается кривой
Figure 00000007

где PZ - ход витков винтовой поверхности ведущего ротора, z - координата вдоль оси ротора, ρ1 - расстояние от точки на кривой до оси соответствующего ротора, величина Δ обосновывается конструктивными и технологическими требованиями в зависимости от точности обработки винтовых поверхностей, размеров и материалов роторов, допустимого различия в нагреве роторов и корпуса; поверхность зуба ведомого ротора сопряжена с поверхностью, профиль которой в осевом сечении есть z11); минимальная длина каждого винтового участка определяется выражением
Figure 00000008
, где b - параллельный оси размер прямоугольного участка вершин зубьев роторов; соотношение величин PZ - смежных участков ротора равно расчетной степени сжатия/расширения роторной винтовой машины по объему.
1. A rotary screw machine for compressing / expanding gaseous media, comprising a housing, leading and driven (driven) rotors located therein, screw surfaces of which have two adjacent sections differing in the course of the turns, within each of which the surface profile remains constant, characterized in that that the number of visits of the leading rotor n 1 is related to the number of visits of the driven rotor n 2 by the ratio n 2 = n 1 +1; the radii of the vertices of the teeth of the rotors are related to the center distance a w by the relations
Figure 00000006
for driven rotor and
Figure 00000002
for the driving rotor; the tooth surface of the driving rotor is an equidistant displaced by Δ in the rotor body relative to the surface whose profile in the axial section of the rotor is described by a curve
Figure 00000007

where P Z is the course of the turns of the helical surface of the driving rotor, z is the coordinate along the axis of the rotor, ρ 1 is the distance from the point on the curve to the axis of the corresponding rotor, Δ is justified by the design and technological requirements depending on the accuracy of machining of the screw surfaces, sizes and materials of the rotors permissible differences in heating of rotors and housing; the tooth surface of the driven rotor is associated with a surface whose profile in the axial section is z 11 ); the minimum length of each screw section is determined by the expression
Figure 00000008
where b is the size of the rectangular portion of the tops of the teeth of the rotors parallel to the axis; the ratio of the values of P Z - adjacent sections of the rotor is equal to the calculated degree of compression / expansion of the rotor screw machine in volume.
2. Роторная винтовая машина по п.1, отличающаяся тем, что при выполнении ведущего и ведомого роторов сдвоенными винтовые части роторов могут находиться как в противофазе, так и быть развернутыми на угол π/n радиан.2. The rotor screw machine according to claim 1, characterized in that when the leading and driven rotors are doubled, the screw parts of the rotors can be both in antiphase and can be rotated at an angle π / n radians. 3. Роторная винтовая машина по п.2, отличающаяся тем, что ведущий и ведомый роторы выполнены с одинаковым направлением витков и разделены перегородкой. 3. The rotor screw machine according to claim 2, characterized in that the driving and driven rotors are made with the same direction of the turns and are separated by a partition.
RU2009129774/06A 2009-08-03 2009-08-03 Rotary screw machine RU2448273C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009129774/06A RU2448273C2 (en) 2009-08-03 2009-08-03 Rotary screw machine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009129774/06A RU2448273C2 (en) 2009-08-03 2009-08-03 Rotary screw machine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009129774A RU2009129774A (en) 2011-08-10
RU2448273C2 true RU2448273C2 (en) 2012-04-20

Family

ID=44753934

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009129774/06A RU2448273C2 (en) 2009-08-03 2009-08-03 Rotary screw machine

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2448273C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2716805C1 (en) * 2019-09-23 2020-03-16 Общество с ограниченной ответственностью "Промышленные компоненты КАМАЗ" Synchronous gearing of steam screw machine
RU211016U1 (en) * 2022-02-09 2022-05-18 Общество с ограниченной ответственностью "Винтовые машины - энергия" Synchronizing magnetic transmission of a steam screw machine

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3807911A (en) * 1971-08-02 1974-04-30 Davey Compressor Co Multiple lead screw compressor
SU861738A1 (en) * 1979-12-25 1981-09-07 Омский политехнический институт Screw compressor rotor
RU2143590C1 (en) * 1998-09-21 1999-12-27 Родионов Александр Хайрулович Screw compressor
US6359411B1 (en) * 1999-07-19 2002-03-19 Sterling Fluid Systems And Gmbh Displacement machine for compressible media
US20070041861A1 (en) * 2005-08-22 2007-02-22 Kashiyama Industries, Ltd Screw rotor and vacuum pump

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3807911A (en) * 1971-08-02 1974-04-30 Davey Compressor Co Multiple lead screw compressor
SU861738A1 (en) * 1979-12-25 1981-09-07 Омский политехнический институт Screw compressor rotor
RU2143590C1 (en) * 1998-09-21 1999-12-27 Родионов Александр Хайрулович Screw compressor
US6359411B1 (en) * 1999-07-19 2002-03-19 Sterling Fluid Systems And Gmbh Displacement machine for compressible media
US20070041861A1 (en) * 2005-08-22 2007-02-22 Kashiyama Industries, Ltd Screw rotor and vacuum pump

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2716805C1 (en) * 2019-09-23 2020-03-16 Общество с ограниченной ответственностью "Промышленные компоненты КАМАЗ" Synchronous gearing of steam screw machine
RU2716805C9 (en) * 2019-09-23 2020-06-22 Общество с ограниченной ответственностью "Промышленные компоненты КАМАЗ" Synchronous gearing of steam screw machine
RU211016U1 (en) * 2022-02-09 2022-05-18 Общество с ограниченной ответственностью "Винтовые машины - энергия" Synchronizing magnetic transmission of a steam screw machine

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009129774A (en) 2011-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8992191B2 (en) Scroll compressor with differential pressure hole
KR101576459B1 (en) Scoroll compressor and refrigsrator having the same
US9243636B2 (en) Scroll compressor with differential pressure hole and communication hole
US9181945B2 (en) Scroll compressor with channels intermittently communicating internal and external compression chambers with back pressure chamber
US11306720B2 (en) Helical trochoidal rotary machines
EP2634432A1 (en) Screw compressor
EP2020578A2 (en) Hermetic compressor and refrigeration cycle device having the same
US11248606B2 (en) Rotor pair for a compression block of a screw machine
CA3034112A1 (en) Dry-compressing vacuum pump
WO2011148453A1 (en) Two-stage rotary compressor and heat pump apparatus
RU2448273C2 (en) Rotary screw machine
US11174862B2 (en) Screw compressor
US20190120232A1 (en) Screw compressor
RU2547211C2 (en) Dry screw compressor
KR102491634B1 (en) A Rotary Compressor Equipped with A Back Pressure Passage
CN221347264U (en) Screw compressor and refrigerating device
CN108699998B (en) Rotary Stirling cycle apparatus and method
JP2016138519A (en) Scroll fluid machine
RU2730769C1 (en) Double rotor machine
KR101451663B1 (en) Hermetric compressor and refrigeration cycle device having the same
US6220841B1 (en) Displacement type fluid machine
WO2019088240A1 (en) Compressor
CN111065824B (en) Rotary compressor
RU149556U1 (en) COMPRESSOR
JPH1136801A (en) Displacement fluid machine

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20180418