SK288973B6 - Radiálny piestový rotačný stroj - Google Patents

Abstract

Radiálny piestový rotačný stroj je možné použiť ako kompresor, čerpadlo, vývevu alebo aj ako motor. Obsahuje pevný rám (1), aspoň jeden otvor (13) na vstup média do stroja a aspoň jeden otvor (14) na výstup média zo stroja. Rám (1) obsahuje čelá (11), medzi ktorými je v otočných uloženiach uložený rotor (2) s axiálnym otvorom (21) na hriadeľ (5) stroja, a obsahuje priečne na jeho os aspoň dve, proti sebe uhlovo posunuté, komory (22) na piesty (4). Hriadeľ (5) stroja prechádza axiálnym otvorom (21) v rotore (2) a je uložený v otočných uloženiach v čelách (11) rámu (1). Hriadeľ (5) je uložený excentricky proti rotoru (2) a sú na ňom usporiadané kruhové vačky (51). Každý piest (4) je uložený otočne na kruhovej vačke (51) a posuvne vratne v komore (22). Konce komory (22) sú uzatvorené hlavami (3). Hlava (3) a/alebo rotor (2) obsahujú aspoň jeden prechod (32) na prívod a výstup média do a z komory (22) na piest (4), ktorý na jednom konci vyúsťuje v axiálnom smere k čelu (11) rámu (1) a ktorý je na axiálnom vyústení otváraný a uzatváraný ventilovými prostriedkami vo forme oddelených oblúkových otvorov (61).

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka radiálneho piestového rotačného stroja, ktorý môže byť použitý ako čerpadlo, kompresor, výveva alebo motor.

Doterajší stav techniky

Sú známe piestové rotačné stroje, najmä čerpadlá alebo kompresory, ktoré obsahujú rotor kruhového prierezu, v ktorom sú vytvorené komory na piesty, pričom piesty sú na vykonávanie priamočiareho vratného pohybu uložené na kruhových vačkách, a tieto vačky sú vytvorené na hriadeli, ktorý je uložený excentrický proti rotoru. Excentricita osi hriadeľa od osi rotora sa pritom rovná excentricite vačky od osi hriadeľa.

Piestové rotačné stroje uvedeného typu sú opísané napríklad v dokumentoch US 1 853 394, US 1 910 876 a US4 723 895.

Dokument US 1 853 394 opisuje rotačný stroj alebo čerpadlo obsahujúce skriňu s kruhovou komorou v tejto skrini, kde vstup a výstup sú na protiľahlých stranách skrine. V komore je otočné uložený valec, ktorý obsahuje axiálny otvor, pár vzájomne na seba kolmých pracovných komôr prechádzajúcich priečne v smere priemeru tohto valca a na opačných stranách axiálneho otvoru valca. Piesty v pracovných komorách majú kruhové otvory, ktorými prechádza hriadeľ s párom opačných excentrov vytvorených v jednom kuse s hriadeľom. Excentre sa pohybujú v otvoroch piestov. Hriadeľ je vzhľadom na os kruhovej komory uložený excentrický. Príslušné priemery excentrov, otvorov v piestoch a axiálneho otvoru vo valci sú pritom v podstate rovnaké a priemery otočného valca a excentrov sú pritom obmedzené na veľkosti, pri ktorých je axiálny otvor valca zakrytý každým z vratne pohyblivých piestov počas ich celého pracovného obehu. Cieľom riešenia podľa tohto dokumentu je poskytnúť mimoriadne účinný rotačný stroj na vytláčanie, prenos alebo stláčanie tekutín alebo plynov.

Následný dokument US 1 910 867 rovnakého prihlasovateľa, ktorý sa odvoláva na uvedený dokument US 1 853 394, potom podrobnejšie rozoberá vlastnosti opísaného rotačného čerpadla.

Pri čerpadlách opísaných v uvedených dokumentoch je nevyhnutné, aby centrálny, axiálny otvor vo valci bol nepretržite prekrytý piestmi a aby nikdy nedošlo k jeho odkrytiu, a teda týmto nemôže dôjsť k prietoku pracovného média z jednej komory valca do druhej. Táto podmienka znemožňuje skonštruovať čerpadlo s jednoliatym valcom s pomerom priemeru rotora čerpadla a zdvihu piesta menším ako 5 k 1. Toto je z toho dôvodu, že zloženie rotora s piestmi je možné dosiahnuť len axiálnym posúvaním hnacieho hriadeľa cez centrálny otvor rotora a kruhové otvory v piestoch. Aby bol takýto postup skladania možný, musí mať centrálny otvor taký prierez, že hnací hriadeľ s excentrami sa v ňom môže ľahko otáčať. Navyše, stranová vzdialenosť medzi komorami piestov musí byť približne rovnaká ako priemer piesta, aby sa umožnilo otáčanie hnacieho hriadeľa do správneho zarovnania jeho excentrov vzhľadom na kruhové otvory piestov potom, ako bol jeden z excentrov posunutý cez kruhový otvor jedného z piestov. Následne čerpadlá s pomerom menším ako 5 k 1 budú vybavené otvorom s takou veľkosťou, že vratne pohyblivé piesty nebudú nepretržite prekrývať otvor a čerpadlá budú týmto nepoužiteľné. Konštrukcia čerpadla podľa obrázkov 5 až 10 z dokumentu US 1 910 867 má pomer približne 6 k 1. Aby bolo možné zostaviť čerpadlá tohto typu s pomerom menším ako 5 k 1, musí byť rotor delený, aby umožňoval zloženie s menším centrálnym otvorom.

Delený rotor však musí vykazovať rovnaké charakteristiky ako jednoliaty rotor, a teda spojenie jednotlivých častí deleného rotora musí byť vyhotovené veľmi presne s minimálnymi odchýlkami a tiež dostatočne pevne. Takéto vyhotovenie zvyšuje výrobnú náročnosť, a teda aj výrobné náklady.

Dokument US 7 423 895 opisuje spôsob a zariadenie na zabezpečenie regulácie objemu kompresora na stláčanie stlačiteľných plynov, ako je chladivo pre chladiaci cyklus. V tomto dokumente je opísaný kompresor s princípom, na akom pracujú zariadenia podľa US 1853 394, US 1910 876. Príslušné rotačné časti kompresora sú v tomto riešení uložené na valivých ložiskách. Každá vačka na hriadeli kompresora má takú konštrukciu, že priemer vačky je zmenšený beztoho, aby zmenil excentricitu vačky tým, že časť vačky opačnej výstupku vačky sa umiestni do polohy bližšie k stredu hriadeľa, ako je jej vonkajší kruhový povrch a na vonkajšom kruhovom povrchu hriadeľa pri časti vačky opačnej výstupku vačky sú vytvorené odľahčenia na zloženie piestov s hriadeľom.

Uvedené odľahčenia hriadeľa sú dôležité na to, aby sa mohol zmenšiť priemer otvorov vytvorených v piestoch, do ktorých je vložená vačka, a aby bolo možné v opísanom usporiadaní zložiť hriadeľ, piesty a rotor. Nevýhodou konštrukcie kompresora podľa dokumentu US 7 423 895 je jeho konštrukčná zložitosť.

V dokumente US 2015/0098841 A1 je opísané rotačné epicyklické čerpadlo s uložením piestov na kruhových vačkách, ako je známe z uvedených dokumentov. Toto čerpadlo využíva delený rotor, ale nie z dôvodu, aby mohol byť dosiahnutý vyšší zdvih piesta, ale z dôvodu umožnenia zloženia opísaného čerpadla bez potreby rozdelenia jedného piesta na dve časti.

Nasávanie a výtlak sú pri uvedených konštrukciách čerpadiel zabezpečované otáčaním rotora vo valcovom otvore, kde teleso rotora otvára a zatvára prívodné a výstupné radiálne otvory, vo valcovej ploche valcového otvoru v skrini - statore čerpadla.

Na správnu činnosť čerpadla, a to tak z dôvodu zabezpečenia tesnosti, medzi nasávacou a výtlačnou časťou, ako aj z dôvodu plynulého otáčania rotora a hnacieho hriadeľa s kruhovými vačkami je nutné vyrobiť veľmi presné uloženie rotora vo valcovom vybraní na rotor v skrini - statore čerpadla. Táto podmienka je mimoriadne dôležitá, najmä ak sú tieto stroje zamýšľané na prevádzku bez maziva, teda ako tzv. bezolejové. Zabezpečenie potrebnej presnosti zvyšuje nároky na výrobu. Nedodržanie prísnych tolerancií už dokáže spôsobiť netesnosť a nepravidelnosti v chode stroja, teda „zasekávanie v polohách, ktoré nevykazujú potrebné presnosti. V určitej miere je možné takýto nedostatok prekonať vytvorením prevodu 2 : 1 medzi hriadeľom a rotorom čerpadla. Takýto rozvod síce môže uľahčiť chod a zaťaženie pracovných častí čerpadla, napríklad podstatné stranové zaťaženie piestov, ale predstavuje negatívum s ohľadom na jednoduchosť, účinnosť stroja, ako je napríklad uvedené v US 2015/0098841 Al.

Dokument US 2015/0098841 Al tiež opisuje možné vyhotovenie čerpadla, kde konce vývrtu na piest v rotore sú pripojené k hlavám. Ventilové dosky môžu obsahovať ventily, ktoré ovládajú vstup a výstup média privedené k príslušným bočným portom v čelách. Teda aspoň jeden ventil je spojený s jedných z vývrtov na piest. V určitom vyhotovení je jeden z ventilov výstupný ventil na hlave piesta a ďalší ventil je vstupný ventil na pieste, pričom médium môže vstupovať cez stredovú časť kľukovej skrine čerpadla a vystupovať cez hlavu. Toto usporiadanie využíva známe spätné ventily používané v hlavách piestových kompresorov. K nevýhodám týchto spätných ventilov, ktoré spočívajú najmä v ich konštrukcii, sa v prípade opísaného uskutočnenia môžu pridávať negatívne vplyvy z rotácie ventilovej dosky okolo osi rotácie rotora, teda negatívne vplyvy odstredivých/dostredivých síl, ktoré budú vzrastať so vzdialenosťou ventilovej dosky od osi rotácie rotora. Rotor v tomto prípade nemusí mať valcový tvar.

Cieľom tohto vynálezu je piestový rotačný stroj, ktorý môže byť použitý ako čerpadlo, kompresor, výveva alebo motor, ktorý sa vyznačuje výrobnou nenáročnosťou, pričom prakticky odstraňuje všetky nevýhody a obmedzenia vyplývajúce z konštrukcií v opísaných dokumentoch. Takýto piestový rotačný stroj by pritom umožňoval výrobu konkrétne čerpadiel, kompresorov a vývev na širokú škálu aplikácií a tlakových rozsahov so zachovaním rovnakého konštrukčného usporiadania. Zároveň je tiež žiaduce, aby takáto konštrukcia, konkrétne kompresora alebo vývevy, bola schopná pracovať bez maziva alebo v tzv. bezolejovej prevádzke.

Podstata vynálezu

Uvedený cieľ sa dosiahne radiálnym piestovým rotačným strojom podľa tohto vynálezu obsahujúcim pevný rám, aspoň jeden otvor na vstup média do stroja a aspoň jeden otvor na výstup média zo stroja, kde rám obsahuje čelá, medzi ktorými je v otočných uloženiach uložený rotor, tento rotor obsahuje axiálny otvor na hriadeľ stroja a ďalej obsahuje priečne na jeho os aspoň dve proti sebe uhlovo posunuté komory na piesty, hriadeľ stroja prechádza axiálnym otvorom v rotore a je uložený v otočných uloženiach v čelách rámu, na hriadeli sú usporiadané kruhové vačky, hriadeľje uložený excentrický proti rotoru, pričom excentricita osi otáčania hriadeľa od osi rotora sa rovná excentricite osi kruhovej vačky od osi otáčania hriadeľa, každý piest je uložený posuvne vratne v komore na piest v rotore a otočné na kruhovej vačke na hriadeli, kde konce komory na piest sú uzatvorené hlavami, hlava alebo rotor obsahujú aspoň jeden prechod na prívod a výstup média z komory piesta, ktoré sú otvárané a uzatvárané ventilovými prostriedkami. Podstata piestového rotačného stroja podľa tohto vynálezu spočíva v tom, že hlava a/alebo rotor obsahujú aspoň jeden prechod na vstup a výstup média do a z komory piesta na jednom konci vyúsťujúci v axiálnom smere k čelu rámu, ktorý je na axiálnom vyústení otváraný a uzatváraný ventilovými prostriedkami vo forme oddelených oblúkových otvorov.

Výhodné je, ak komora na piest je vybavená vložkou, a táto vložka je spojená s hlavou komory.

Výhodné je, ak vložka prechádza komorou na piest až do blízkosti hriadeľa čerpadla, kompresora alebo vývevy.

Výhodné je, ak ventilové prostriedky vo forme oddelených oblúkových otvorov sú vytvorené vo ventilovej platni uloženej medzi koncom rotora a čelom rámu. Výhodné je, ak koniec rotora je vybavený klznou tesniacou doskou s otvorom na prestup média do a z prechodu v hlave a/alebo rotore.

Výhodné je, ak piest je na každom konci vybavený piestnym krúžkom.

Výhodné je, ak je piestny krúžok nedelený, pričom koniec piesta je vytvorený odnímateľné na vloženie tohto nedeleného piestneho krúžku.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález je na lepšie pochopenie znázornený na pripojených výkresoch, na ktorých:

obr. 1 znázorňuje axonometrický pohľad v reze na radiálny piestový rotačný stroj, konkrétne kompresor;

obr. 2 znázorňuje axonometrický rozložený pohľad na stroj z obr. 1;

obr. 3 znázorňuje axonometrický rozložený pohľad na ventilové prostriedky stroja;

obr. 4 znázorňuje axonometrický pohľad na piest stroja;

obr. 5 znázorňuje axonometrický pohľad na rotor stroja bez klznej tesniacej dosky na jednom konci rotora;

obr. 6 znázorňuje axonometrický rozložený pohľad na rotor stroja s klznými tesniacimi doskami na koncoch rotora a ventilovými doskami;

obr. 7 schematicky znázorňuje pracovnú fázu stroja so zatvoreným prívodom a výstupom média;

obr. 8 schematicky znázorňuje pracovnú fázu stroja s otvoreným prívodom a výstupom média;

obr. 9 znázorňuje celkový vonkajší axonometrický pohľad na radiálny piestový rotačný stroj z obr. 1 v ráme vo forme uzavretého puzdra s otvormi na vstup a výstup vzduchu a s vystupujúcim hriadeľom stroja;

obr. 10 znázorňuje axonometrický pohľad v reze na variant radiálneho rotačného stroja s piestmi bez krúžkov, v komore na piest bez vložky, bez klzných tesniacich dosiek na koncoch rotora a s prechodom na vstup a výstup média do alebo z komory na piest vytvoreným v rotore;

obr. 11 znázorňuje axonometrický rozložený pohľad na stroj z obr. 10.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Radiálny piestový rotačný stroj podľa tohto vynálezu je podrobnejšie vysvetlený na príkladoch uskutočnenia znázornených na obrázkoch.

Stroj znázornený na obr. 1 až 6 je konkrétne kompresor a rotačný stroj znázornený na obr. 10 a 11 môže byť čerpadlo alebo tiež kompresor malých rozmerov.

Stroj podľa znázornených príkladov je vytvorený s dvoma piestmi 4, každý posuvne vratne pohyblivý jednej komore 22 rotora 2, kde komory 22 sú proti sebe usporiadané pod uhlom 90°.

Stroj, kompresor podľa obr. 1 až 6, obsahuje rám 1 v znázornenom príklade vo forme dvojdielneho puzdra. V ráme 1 je otočné uložený rotor 2 v uloženiach 12 v čelách 11 rámu 1. V rotore 2 je vytvorený axiálny otvor 21 na hriadeľ 5 stroja a komory 22 na piesty 4.

Hriadeľ 5 prechádza axiálnym otvorom 21 rotora 2 a je otočné uložený v uloženiach 15 v čelách 11 rámu 1. Hriadeľ 5 na jednej strane vystupuje cez čelo 11 rámu 1, kde je utesnený napríklad bežným hriadeľovým tesnením. Na hriadeli 5 sú usporiadané kruhové vačky 51. Hriadeľ 5 je uložený excentrický proti rotoru 2, pričom excentricita osi otáčania hriadeľa 5 od osi otáčania rotora 2 sa rovná excentricite osi kruhovej vačky 51 od osi otáčania hriadeľa 5.

Kruhové vačky 51 sú na hriadeli 5 uložené rozoberateľným spojom pero-drážka. Toto je výhodné z hľadiska výroby a tiež aj pri skladaní stroja. Je však rovnako možné vytvoriť hriadeľ 5 v jednom celku s vačkami 51, ako je bežné v stave techniky.

Na kruhovej vačke 51 je otočné uložený piest 4. Piest 4 má na uloženie na kruhovej vačke 51 vytvorený príslušný otvor 41. Tento otvor 41 prechádza priečne stredom piesta 4. Piest 4 má týmto dva konce, kde na každom z nich je piest 4 vybavený piestnym krúžkom 43. Piestny krúžok 43 je uložený v drážke 42 vytvorenej v pieste 4. Piestny krúžok 43 môže byť použitý tak delený, ako aj nedelený. V prípade použitia nedeleného piestneho krúžku 43 je príslušný koniec piesta 4 vytvorený odnímateľné, aby bola sprístupnená drážka 42 na vloženie takéhoto nedeleného piestneho krúžku 43.

V znázornenom príklade je piest 4 vybavený na každom jeho konci jedným piestnym krúžkom 43. Jeden piestny krúžok 43 na každý koniec piesta 4 je postačujúci, ale podľa potreby je možné zvoliť aj väčší počet piestnych krúžkov 43, ak to bude potrebné z hľadiska rozmerov alebo materiálu piestnych krúžkov 43, alebo aplikácií, kde bude stroj podľa tohto vynálezu použitý.

Piestny krúžok 43 zabezpečuje tesnosť piesta 4 v komore 22 na piest 4 v rotore 2 alebo tesnosť piesta 4 vo vložke 31 komory 22 na piest 4. Ako bolo prekvapivo zistené, piestny krúžok 4 tiež zabezpečuje plynulý chod stroja bez toho, aby bolo nutné dodržiavať mimoriadne malé tolerancie vo vzájomných uloženiach príslušných rotujúcich a pohyblivých častí, teda rotora 2, hriadeľa 5, kruhových vačiek 51 a piestov 4, ako sú požadované v strojoch podľa doterajšieho stavu techniky. Takéto požadované malé tolerancie je možné bez väčších problémov dodržať pri strojoch malých rozmerov, ale pri väčších strojoch je problematické takéto malé tolerancie dodržať, pričom vyžadujú špeciálnu a nákladnú výrobu. Nedodržanie predpísaných tolerancií znamená pre stroje v doterajšom stave techniky to, že pri rotácii môže z dôvodu nedostatočného zarovnania príslušných rotujúcich a pohyblivých častí dochádzať k zadrhávaniu týchto častí a k nepravidelnosti chodu. To môže byť odstránené bud'zvýšením výkonu privádzaného na hriadeľ, alebo tiež aj zaradením napr. ozubeného prevodu medzi hriadeľ 5 a rotor 2. Dodatočný prevod potom prakticky preberá funkciu pohonu rotora 2 od piestov 4.

Pri uložení piesta 4 v komore 22 alebo vložke 31 prostredníctvom piestnych krúžkov 43 sa pri práci stroja príslušné rotujúce pohyblivé častí kontinuálne zarovnávajú do vzájomnej ideálnej polohy zabezpečujúcej plynulý chod stroja. Pri výrobe sú potom postačujúce tolerancie rádovo v stotinách milimetra, ktoré nijakým spôsobom nezvyšujú výrobné náklady z dôvodu nutnosti špeciálnej presnej výroby. Takto má stroj úplne hladký chod, pričom zostane v plnej miere zachovaná aj tesnosť piesta 4, a to už prakticky od rozbehu stroja.

Komora 22 na piest 4 v rotore 2 je uzatvorená hlavou 3. Hlava 3 je na rotore 2 usporiadaná odnímateľné pevne a je na každom konci komory 22. V znázornenom príklade uskutočnenia je hlava 3 vytvorená s vložkou 31 komory 22 na piest 4. V tomto prípade vložka 31 vytvára vnútorný priestor komory 22, v ktorom sa pohybuje piest 4, a teda tesné posuvné uloženie piesta je tvorené vnútornou stenou vložky 31 a piestnym krúžkom 43. Vložku 31 je výhodné vytvoriť tak, aby prechádzala čo najbližšie k hriadeľu 5, samozrejme s ohľadom na odstup osí otáčania hriadeľa 5 a rotora 2.

Vložka 31 je výhodná z dôvodu jej jednoduchej výmeny pri opotrebení, teda nie je potrebné vymieňať, prípadne vybrusovať, celý rotor 2 pri opotrebení priamo komôr 22, ak sa piesty 4 pohybujú priamo v komorách 22 bez vložiek 31. Ďalej, pomocou vložky 31 je možné zabezpečiťto, že nedôjde k prepojeniu komôr 22 cez axiálny otvor 21 v rotore 2 v prípade väčších rozmerov stroja a väčších zdvihov piesta 4, kedy by mohla hrana piesta 4 prejsť pod obrys axiálneho otvoru 21, čím by došlo k nežiaducemu úniku média z komory 22 piesta 4 do tohto axiálneho otvoru 21. Toto potom umožňuje vyrábať stroj bez nutnosti napríklad deleného rotora 2, aby bolo možné dosiahnuť čo najmenší možný priemer axiálneho otvoru 21 rotora 2. V hlave 3 je vytvorený aspoň jeden prechod 32 na vstup a výstup média do a z komory 22 na piest 4, v tomto príklade komory 22 s vložkou 31. Pokiaľ komora 22 na piest 4 neobsahuje vložku 31, môže byť tento prechod 32 vytvorený buď tiež len v hlave 3, alebo čiastočne v hlave 3 a čiastočne v telese rotora 2, alebo len v telese rotora 2, ako bude opísané pri príklade uskutočnenia podľa obr. 10 a 11. Prechod 32 vytvorený len v telese rotora 2 môže určitým spôsobom znížiť objemovú účinnosť kompresora, ale napríklad v prípade čerpadiel alebo dúchadiel je toto nepodstatné.

Prechod 32 na vstup a výstup média do a z komory 22 na piest 4 je axiálne vyústený v smere k čelu 11 rámu 1, teda axiálne vzhľadom na rotor 2 a hriadeľ5. Opis platí rovnako aj na druhý piest 4 a druhú komoru 22 na piest 4 stroja podľa tohto príkladu uskutočnenia.

Vstup a výstup média do a z komory 22 na piest 4, v tomto príklade komory 22 s vložkou 31, je riadený ventilovými prostriedkami na otváranie a uzatváranie vstupu a výstupu média do a z komory 22. Tieto ventilové prostriedky sú vytvorené vo forme oddelených oblúkových otvorov 61 otvárajúcich prechod 32 na vstup a výstup média do a z komory 22. Uzatváranie prechodu 32 je zabezpečované plnou časťou, medzi oblúkovými otvormi 61, materiálu telesa, v ktorom sú oddelené oblúkové otvory 61 vytvorené.

V znázornenom príklade uskutočnenia sú oblúkové otvory 61 výhodne usporiadané na ventilovej doske 6, usporiadanej medzi rotorom 2 a čelom 11 rámu 1. Ventilová doska 6 je výhodne usadená v drážke 16 v čele 11 rámu. Na uloženie ventilovej dosky 6 však drážka 16 nie je nutne potrebná. Ventilová doska 6 musí byť na správnu funkciu len zabezpečená proti otočeniu. V znázornenom príklade je poloha ventilovej dosky 6 zabezpečená proti otočeniu aspoň jedným aretačným kolíkom 63 zasahujúcim do dosky 6 a čela 11. Na zabezpečenie polohy dosky 6 je samozrejme možné použiť aj iné vhodné známe prostriedky.

Opísaný typ ventilovej dosky 6 je použitý v axiálnych piestových hydraulických čerpadlách, ale jej použitie pri radiálnych piestových rotačných strojoch nie je nikde opísané a pri kompresoroch známych z doterajšieho stavu techniky prakticky vylúčené.

V znázornenom príklade uskutočnenia je výhodne na zabezpečenie spoľahlivého utesnenia hlavy 3 a/alebo rotora 2 proti ventilovej platni 6, s ohľadom na prechod 32 na vstup a výstup média, upevnená na konci rotora 2 tesniaca doska 7. Tesniaca doska 7 obsahuje otvor 71, teda otvory 71, na prestup média do a z prechodu 32 na vstup a výstup média do a z komory 22 na piest 4. Okolo axiálneho vyústenia prechodu 32 môže byť v prípade kompresora výhodne vytvorené tesnenie 322, aby sa predišlo prípadným únikom tlakového vzduchu medzi tesniacu dosku 7 a hlavu 3 a/alebo rotor 2. Rovnako výhodné tiež je, ak sa obdobné tesnenie 64 vytvorí okolo oblúkového otvoru 61 na ventilovej doske 6 proti čelu 11. Uvedený opis týkajúci sa ventilových prostriedkov platí rovnako aj na druhom konci rotora 2.

Prechod 32, teda prechody 32, na vstup a výstup média do alebo z komory 22 na piest 4, v znázornenom uskutočnení s tesniacou doskou 7 otvory 71 na prestup média, sú otvárané alebo uzatvárané príslušne proti oblúkovým otvorom 61 ventilovej dosky 6. Oblúkové otvory 61 potom príslušne komunikujú s otvorom 13 na vstup média do stroja a otvorom 14 na výstup média zo stroja, ktoré sú usporiadané na ráme 1 stroja.

V tomto príklade uskutočnenia stroja znázorneného na obr. 1 až 6 je otvor 13 na vstup média do stroja vytvorený po spojení dvojdielneho puzdra, ktoré vytvorí uzavretý obal na kompresor. Otvor 13 spája vnútorný priestor puzdra so zdrojom média, v tomto prípade okolitým vzduchom. Otvor 14, teda otvory 14 na výstup média zo stroja sú vytvorené na čelách 11 puzdra, pričom v tomto prípade vychádzajú z drážky 16, v ktorej je usadená ventilová doska 6.

S ohľadom na ventilové prostriedky je tiež možný variant uskutočnenia napríklad bez ventilovej platne 6, kde by oblúkové otvory 61 boli vytvorené priamo v čelách 11 rámu 1. Rovnako je možný variant uskutočnenia bez klznej tesniacej dosky 7 na konci rotora 2, kde by klzná plocha bola priamo bočná plocha rotora 2, na ktorej by bol prechod 32 na vstup a výstup média do a z komory 22 na piest. Takýto variant bude na lepšiu predstavu opísaný v ďalšom príklade uskutočnenia, ktorý je znázornený na obr. 10 a 11.

Všeobecne však ventilová doska 6 a klzná tesniaca doska 7 výhodne poskytujú tesniace prostriedky ľahko vymeniteľné pri ich opotrebení.

V znázornenom príklade uskutočnenia stroja sú všetky otočné uloženia vybavené valivými ložiskami. Rovnako môžu byť použité aj klzné ložiská alebo kombinácie valivých a klzných ložísk podľa potreby.

Radiálny piestový rotačný stroj, kompresor, v opísanom príklade uskutočnenia znázornenom na obr. 1 až 6 pracuje nasledujúcim spôsobom.

Hriadeľ 5 pripojený k pohonu (neznázornenému) otáča kruhovými vačkami 51, ktoré posuvne vratne pohybujú piestmi 4 v príslušných komorách 22 s vložkami 31. Piesty 4 zároveň otáčajú rotor 2. Vďaka piestnym krúžkom 43 je aj pri bežných toleranciách uloženia a zarovnania príslušných rotujúcich častí chod kompresora úplne plynulý a vyrovnaný.

Na obr. 7 a 8 sú znázornené polohy rotačných častí po otočení hriadeľa 5 o 180°, pričom na jednoduchšie znázornenie je ako počiatočná poloha určená jedna krajná poloha jedného z piestov 4, t. j. poloha na konci dráhy piesta 4 v komore 22. Táto východisková poloha je znázornená na obr. 7.

V danej počiatočnej polohe je vačka 51 v krajnej polohe jej najväčšej excentricity, piest 4 je týmto v krajnej polohe na konci jeho dráhy. Jeden koniec piesta 4 je teda v polohe najbližšie k hlave 3. Druhý koniec piesta 4 je potom v polohe najďalej od hlavy 3. Teleso ventilovej dosky 6 v tejto polohe uzatvára prechody 32 na vstup a výstup média do alebo z komory 22 na piest 4. V tomto prípade, keď je prítomná tesniaca doska 7, sú uzatvárané otvory 71 na prestup média. V uvedenej fáze je na jednej strane vzduch z komory 22 v podstate úplne vytlačený a na druhej strane nasatý do maximálneho pracovného objemu komory 22.

Otáčaním hriadeľa 5 prejde na jednej strane otvor 71 za hranu oblúkového otvoru 61, pričom spojí komoru 22 so vstupom vzduchu. Vstup vzduchu je v znázornenom príklade zabezpečovaný otvorom 13 na puzdre kompresora, ktorý privádza vzduch do vnútorného priestoru puzdra. Z vnútorného priestoru puzdra je vzduch vedený vstupnými drážkami 62 do oblúkového otvoru 61 vo ventilovej doske 6.

Zároveň na druhej strane otvor 71 prejde za hranu druhého oblúkového otvoru 61, pričom spojí komoru 22 s výstupom vzduchu. Výstup vzduchu je v znázornenom príklade zabezpečovaný otvorom 14 v čele 11 puzdra, kde tento otvor vedie do kanálika 17 v čele 11 na strane ventilovej dosky 6.

Oblúkové otvory 61 na ventilovej doske 6 sú na obrázkoch segmentované, t. j. nejde o priebežný oblúkový otvor 61. Toto je z dôvodu zachovania pevnosti ventilovej dosky 6, pričom materiál dosky 6 medzi segmentmi oblúkového otvoru 61 nijako neovplyvňuje prestupnosť média do a z komory 22 na piest 4. Tam, kde to dovoľuje konštrukcia, je možné otvory 61 vytvoriť ako priebežné. Oddelenie oblúkových otvorov 61 vzhľadom na oddelenie vstupnej a výstupnej časti média pritom samozrejme musí ostať zachované.

Pri čerpadle, teda pri čerpaní kvapalín, z dôvodu ich nestlačiteľnosti, musí otvorenie komory 22 do prechodov 32 prebehnúť súčasne. Pri kompresoroch, podľa potreby výstupného tlaku, môže byť hrana výstupného oblúkového otvoru 61 posunutá tak, aby otvor 32, v tomto prípade otvor 71, bol telesom ventilovej platne 6 zatvorený dlhšie, čím dôjde k stláčaniu vzduchu pri zmenšovaní pracovného objemu komory 22.

Ďalším otáčaním hriadeľa 5 dochádza na jednom konci piesta 4 k zmenšovaniu objemu komory 22 nad piestom 4 a na druhom konci piesta 4 k zväčšovaniu objemu komory 22 nad piestom 4, čím je na jednej strane vzduch vytláčaný a na druhej strane nasávaný.

V polohe, znázornenej na obr. 8, je piest 4 v strednej polohe, prechody 32, v tomto prípade aj otvory 71, sú úplne otvorené.

Ďalším otáčaním hriadeľa 5 sa objem komory 22 na jednom konci piesta 4 zmenšuje, čím pokračuje vytláčanie vzduchu z komory 22, a objem komory 22 na druhom konci piesta 4 sa zväčšuje, čím pokračuje nasávanie vzduchu do komory 22. Vzduch je vytláčaný prechodom 32, v tomto príklade ďalej aj cez otvor 71 vtesniacej doske 7 do oblúkovej drážky 61 a z nej do otvoru 14 na výstup média zo stroja. Po dokončení celého cyklu, teda pri dvoch otočeniach hriadeľa 5, je piest 4 opäť na jednom konci v polohe najbližšie k hlave 3 a na druhom konci v polohe najďalej od hlavy 3. Teleso ventilovej dosky 6 v tejto polohe uzatvára otvory 32, v tomto prípade otvory 71 tak, aby nemohlo dôjsť k spätnému prúdeniu vzduchu medzi komorami 22 nad príslušnými koncami piesta 4.

Uvedený spôsob práce je rovnaký aj pre varianty stroja, kde nebudú napríklad použité ventilové dosky 6 a klzná tesniaca doska 7 a ventilové prostriedky budú vytvorené priamo v ráme 1 stroja, prakticky v čelách 11.

Pri kompresore je najvýhodnejšie vytvoriť rám 1 vo forme puzdra, ako je zvonka v celku znázornené na obr. 9. Takto sa získa kompaktný stroj, pričom takéto puzdro jednak chráni rotujúce časti stroja a tiež prispieva k zníženiu hluku stroja. Navyše, v prípade kompresora, sa rotor 2 samotnou rotáciou v okolitom nasávanom médiu, vzduchu, dokáže chladiť tak, že nie je potrebné žiadne prídavné chladiace zariadenie, ako je napríklad ventilátor. Na rozdiel od známeho piestového kompresora je takýto kompresor schopný nepretržitej prevádzky. Účinnosť chladenia sa tiež ďalej dá zvýšiť aj vstrekovaním malého množstva oleja do nasávaného vzduchu.

Na ilustráciu účinnosti stroja, kompresora, podľa znázorneného príkladu uskutočnenia sú ďalej uvedené konkrétne rozmery a parametre vyrobeného prototypu kompresora.

Vonkajšie rozmery puzdra kompresora, znázorneného na obr. 9, sú 140 x 140 x 180 mm. Objem kompresora je 90 cm³ na 1 otáčku hriadeľa 5. Kompresor bol pripojený k elektromotoru s výkonom 1,5 kW. Bola meraná hlučnosť, výstupný výkon v l/min. a príkon. Konkrétne namerané hodnoty pri 800 ot./min. boli: - hlučnosť 54 dBA, bez akustického krytovania, - výstupný výkon 60 l/min. pri tlaku 2 barov, príkon 280 W, - výstupný výkon 40 l/min. pri tlaku 8 barov, príkon 520 W.

Celkovo bol chod kompresora testovaný v pracovných otáčkach od 200 do 3 500 ot./min. Maximálny nameraný tlak bol zatiaľ 16 barov.

Z usporiadania stroja podľa tohto vynálezu vyplýva, že pri rozmeroch vonkajšieho puzdra 200 x 200 x 270 mm bude mať kompresor objem 305 cm³/ot. a pri rozmeroch vonkajšieho puzdra 250 x 250 x 350 mm bude mať kompresor objem 720 cm³/ot. Pri relatívne malých vonkajších rozmeroch bude mať kompresor násobne väčší pracovný objem.

Rám 1 môže byť podľa potreby napríklad tiež vytvorený tak, že nebude vytvárať celistvé puzdro, ale bude vo forme rámovej konštrukcie, ktorá zabezpečí potrebnú polohu a pevnosť čiel 11 proti sebe. Otvor 13 na vstup média do stroja bude potom príslušne vytvorený na telese čela 11.

Na obr. 10 a 11 je znázornený variant radiálneho piestového rotačného stroja podľa tohto riešenia, teda kompletnej rotorovej časti stroja s hriadeľom 5, s piestmi 4 bez krúžkov 43, komorami 22 na piest 4 bez vložky 31, bez klzných tesniacich dosiek 7 na koncoch rotora 2 a s prechodom 32 na vstup a výstup média do a z komory 22 len v rotore 2. Stroj s takouto rotorovou časťou môže by napríklad čerpadlo alebo kompresor s malými rozmermi, pri ktorých je možné dodržať malé tolerancie z dôvodu tesnosti a zarovnania rotačných častí stroja. Pri čerpadlách väčších rozmerov sú možné väčšie tolerancie, nakoľko tieto sú vyrovnávané pracovnou kvapalinou. Ventilové prostriedky, teda oblúkové otvory 61, prípadne ventilová doska 6, ako aj klzná tesniaca doska 7 a ich prípadné kombinácie na tento príklad stroja sú rovnaké, ako sú opísané v príklade uskutočnenia podľa obr. 1 až 6. Rám 1 stroja môže byť podľa potreby vytvorený ako puzdro alebo tiež vo forme rámovej konštrukcie, ktorá zabezpečí potrebnú polohu a pevnosť čiel 11 proti sebe, ako bolo opísané.

Spôsob práce stroja podľa príkladu uskutočnenia znázorneného na obr. 10 a 11 je rovnaký, ako bol opísaný, samozrejme s tým rozdielom, že sa berú do úvahy príslušné časti prítomné v príklade uskutočnenia znázornenom na obr. 10 a 11. Radiálny rotačný stroj podľa tohto vynálezu môže byť kompresor, čerpadlo, výveva alebo prípadne aj motor.

Vďaka opísaným ventilovým prostriedkom je tiež možný reverzný chod stroja bez akýchkoľvek dodatočných úprav, kedy sa prakticky zmení len funkcia otvoru 13 na vstup média do stroja na funkciu otvoru 14 na výstup média a opačne. Konštrukcia radiálneho piestového rotačného stroja podľa tohto vynálezu taktiež umožňuje vyrobiť kompresor ako viacstupňový, napríklad na dosiahnutie vyšších tlakov. V opísanom a znázornenom príklade kompresora sú komory 22 a piesty 4 rovnako veľké, t. j. pracovný objem každej komory 22 je rovnako veľký.

Pri viacstupňovom kompresore je možné vytvoriť jednu komoru 22 s väčším objemom, teda aj s väčším piestom 4, a jednu komoru 22 s menším objemom, teda aj s menším piestom 4. Vstup média by potom bol realizovaný do komory 22 s väčším objemom a výstup z tejto väčšej komory 22 by bol privedený na vstup média do komory 22 s menším objemom. Výstup vysokotlakového média by potom bol výstup média z komory 22 s menším objemom.

Taktiež nie sú vylúčené vyhotovenia stroja, ktorý bude obsahovať viac komôr 22 s piestmi 4, prípadne siným vzájomným uhlom, ako je v opísaných príkladoch uskutočnenia. V takýchto prípadoch pôjde však o konštrukčné riešenia len komôr 22 na piesty 4 a ich usporiadania v rotore 2, pričom bude zachovaná podstata riešenia so všetkými jej výhodami.

Radiálny rotačný piestový stroj podľa tohto vynálezu je možné vyrobiť bežne dostupnými a používanými technologickými postupmi a s bežnými materiálmi. Jednotlivé časti stroja môžu byť tiež bez problémov vyrobené pomocou technológie 3D tlače. Použitie špeciálnych materiálov sa predpokladá len pri špeciálnom použití, ako sú napríklad bezolejové kompresory, čerpadlá alebo kompresory na extrémne zaťaženie a pod.

Priemyselná využiteľnosť

Radiálny piestový rotačný stroj podľa tohto vynálezu je možné použiť ako kompresor, čerpadlo, vývevu alebo aj motor.

Radiálny piestový rotačný stroj ako kompresor je možné použiť na širokú škálu aplikácií v širokom rozsahu tlakov a prietokov, teda napríklad ako dúchadlá, nízkotlakové, stredotlakové alebo vysokotlakové kompresory.

Radiálny piestový rotačný stroj ako výveva môže byť použitý ako účinná výveva na vytvorenie podtlaku, ako aj viacstupňová výveva na dosiahnutie vysokého vákua. Výveva je pritom jednoducho vytvorená len pripojením nasávania k priestoru, kde je požadovaný podtlak bez nutnosti akýchkoľvek ďalších konštrukčných úprav.

Claims (7)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Radiálny piestový rotačný stroj obsahujúci pevný rám, aspoň jeden otvor na vstup média do stroja a aspoň jeden otvor na výstup média zo stroja, kde rám obsahuje čelá, medzi ktorými je v otočných uloženiach uložený rotor, tento rotor obsahuje axiálny otvor na hriadeľ stroja a ďalej obsahuje priečne na jeho os aspoň dve proti sebe uhlovo posunuté komory na piesty, hriadeľ stroja prechádza axiálnym otvorom v rotore a je uložený v otočných uloženiach v čelách rámu, na hriadeli sú usporiadané kruhové vačky, hriadeľ je uložený excentrický proti rotoru, pričom excentricita osi otáčania hriadeľa od osi rotora sa rovná excentricite osi kruhovej vačky od osi otáčania hriadeľa, každý piest je uložený posuvne vratne v komore na piest v rotore a otočné na kruhovej vačke na hriadeli, kde konce komory na piest sú uzatvorené hlavami, hlava alebo rotor obsahujú aspoň jeden prechod na prívod a výstup média z komory piesta, ktoré sú otvárané a uzatvárané ventilovými prostriedkami, vyznačujúci sa tým, že hlava (3) a/alebo rotor (2) obsahujú aspoň jeden prechod (32) na vstup a výstup média do a z komory (22) na piest (4), ktorý na jednom konci vyúsťuje v axiálnom smere k čelu (11) rámu (1) a ktorý je na axiálnom vyústení otváraný a uzatváraný ventilovými prostriedkami vo forme oddelených oblúkových otvorov (61).
2. 2. Radiálny piestový rotačný stroj podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že komora (22) na piest (4) je vybavená vložkou (31) a vložka (31) je spojená s hlavou (3) komory (22).
3. 3. Radiálny piestový rotačný stroj podľa nároku 2, vyznačujúci sa tým, že vložka (31) prechádza komorou (22) na piest (4) až do blízkosti hriadeľa (5) stroja.
4. 4. Radiálny piestový rotačný stroj podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že oddelené oblúkové otvory (61) sú vytvorené vo ventilovej doske (6) uloženej medzi koncom rotora (2) a čelom (11) rámu (1).
5. 5. Radiálny piestový rotačný stroj podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že koniec rotora (2) je vybavený klznou tesniacou doskou (7) s otvorom (71) na prestup média do a z prechodu (32) v hlave (3) a/alebo rotore (2).
6. 6. Radiálny piestový rotačný stroj podľa ktoréhokoľvek z predchádzajúcich nárokov, vyznačujúci sa tým, že piest (4) je na každom konci vybavený piestnym krúžkom (43).
7. 7. Radiálny piestový rotačný stroj podľa nároku 6, vyznačujúci sa tým, že piestny krúžok (43) je nedelený, pričom koniec piesta (4) je vytvorený odnímateľné na vloženie nedeleného piestneho krúžku (43).

   9 výkresov