Патент на изобретение №2273768

(54) РОТАЦИОННЫЙ КОМПРЕССОР

(57) Реферат:

Изобретение относится к ротационным компрессорам. Компрессор содержит соосный со статором ротор в виде двух дисков, скреплённых нагнетаемым крылом, выполненным в виде части кольца. Ось тела вращения крыла сдвинута от оси вращения ротора на эксцентриситет. Крыло охватывает круглую цилиндрическую часть статора, а его тыльная кромка проходит от образующей линии наружной поверхности цилиндрической части статора на минимальном расстоянии. В двух прорезях цилиндрической части статора, соединённых отверстиями, установлены пластинчатые перегородки, скреплённые с зазором через пружины со штангами. С помощью подшипников ротор опирается на ось и на патрубок выхода, которые выполнены соосно на торцах цилиндрической части статора по обе стороны. Перед перегородками по ходу вращения ротора установлены клапаны нагнетания, соединённые каналами с патрубком выхода. К свободному концу ротора крепится приводной вал. В теле статора выполнены полости теплообменника, вход и выход в который выводятся наружу через патрубок выхода. За патрубок выхода компрессор крепится к фундаменту. При работе крыло ротора обходит цилиндрическую часть статора и нагнетаемой плоскостью охватывает газовую среду. Затем крыло входит в контакт с той или иной перегородкой, погружает её в прорезь, сжимая так газ, и нагнетает его через клапан потребителю. Тепло сжатия отводится в окружающую среду с помощью теплообменника, связанного с циркулирующим по замкнутому контуру теплоносителем. Изобретение направлено на создание ротационного компрессора поточно-объёмного действия, в котором при заполнении камер сжатия газом осуществляется его предварительное сжатие эффективным методом охвата с образованием камер сжатия. 2 ил.

Изобретение относится к компрессоростроению, а именно к ротационным компрессорам, сжимающим газы.

Известны ротационные компрессоры, содержащие корпус с патрубками входа и выхода. В цилиндрическом объеме корпуса установлен с эксцентриситетом цилиндрический ротор с пластинами, расположенными в радиальных прорезях его тела, которые образуют при контакте с внутренней полостью корпуса камеры сжатия. Ротор приводится во вращение приводным валом (см. авт. свид. СССР №750132, МКИ F 04 С 18/00 от 07.1980 г.). Известны также ротационные компрессоры, содержащие корпус, клапан выпускной, установленный с эксцентриситетом в объеме корпуса цилиндрический ротор с пластинами в его прорезях. Ротор соединен с приводным валом, а по наружной поверхности корпуса компрессора установлен теплообменник (см. RU 2202713 С2 от 20.04.2003, МКИ F 04 С 18/344).

В известных ротационных компрессорах вращающийся ротор, установленный с эксцентриситетом, выдвижными пластинами всасывает газ в месте увеличения объема в цилиндрической части корпуса, перемещает газ к камере сжатия, а затем сжимает поступивший газ к камере сжатия, в месте уменьшения объема в цилиндрической части корпуса.

Известные ротационные компрессоры относятся к классу машин объемного действия. Поэтому они имеют присущий машинам объемного действия недостаток, заключающийся в том, что на наполнение рабочего объема камеры сжатия в них используется половина рабочего цикла (половина оборота). И наполнение камер сжатия не может быть полным, так как для этого используется принцип всасывания. Также в этих ротационных компрессорах трудно получить высокую степень сжатия. Все это снижает их эффективность.

Заявляемое изобретение направлено на создание ротационного компрессора нового класса поточно-объемного действия, в котором при заполнении камер сжатия газом осуществляется его предварительное сжатие эффективным методом охвата с образованием камер сжатия и в котором недостатки известных ротационных компрессоров исключаются.

Техническим результатом использования ротационного компрессора является то, что он будет относиться к классу компрессоров поточно-объемного действия, так как в нем осуществляется предварительное сжатие газа воздействием на поток нагнетательной поверхности компрессора.

Техническим результатом использования ротационного компрессора является то, что в нем образование камер сжатия и заполнение их газом осуществляются одновременно методом охвата, исключающим всасывание.

Техническим результатом использования ротационного компрессора является то, что в нем достигается более высокая степень сжатия в результате эффективного заполнения камер сжатия и установки клапанов нагнетания.

Техническим результатом использования ротационного компрессора является то, что он может работать как вакуумный насос, создавая достаточную разреженность в откачиваемой газовой среде за счет принудительного заполнения газом камер сжатия методом охвата.

Техническим результатом использования изобретения является то, что ассортимент ротационных компрессоров пополнится новым классом ротационных компрессоров поточно-объемного действия.

Указанные технические результаты достигаются тем, что ротационный компрессор, содержащий статор, ротор, клапан нагнетания и пластинчатые перегородки, отличающийся тем, что в нем соосный со статором ротор выполнен в форме двух расположенных на одной оси соединенных дисков, имеющих на внешней стороне расположенные в центральных сквозных отверстиях корпусы подшипников, к торцу одного из которых крепится вал привода, при этом соединены диски ротора выполненным в виде части кольца нагнетаемым крылом, через тыльную кромку которого, через его ось вращения, находящуюся на расстоянии эксцентриситета от параллельной ей оси вращения ротора, и через ось вращения ротора проходит условная секущая плоскость, а от атакующей кромки крыла к его тыльной кромке прикреплены две полосы в виде оставшейся части кольца, и в это цилиндрическое пространство, по плоскости, проходящей через ось вращения ротора, вписываются две одинаковые, равные длине нагнетаемого крыла пластинчатые перегородки, соединенные с зазором через пружины со штангами толкателей и установленные в соединенные отверстиями для штанг толкателей прорези, выполненные в статоре, глубиной, равной ширине перегородок, а длиной – длине перегородок, и статора, имеющего форму круглого цилиндра с образующей линией, проходящей от образующей линии внутренней поверхности нагнетаемого крыла в месте сближения на минимальном расстоянии, и на торце которого, обращенном к корпусу подшипников с приводным валом, выполнена ось, на которую с помощью подшипников крепится ротор, а на другом торце находится соосный с осью статора патрубок выхода, на который с помощью подшипников опирается ротор, при этом в теле цилиндрической части статора перед пластинчатыми перегородками, встречающимися с атакующей кромкой нагнетаемого крыла, вращающегося в ее направлении, выполнены клапаны нагнетания, каналы нагнетания которых соединены с патрубком выхода, а с одной и с другой стороны от пластинчатых перегородок выполнены две соединенные между собой полости, представляющие собой теплообменник, из которых через патрубок выведены наружу труба входа в одну полость и труба входа в другую, к тому же на торцах цилиндрической части статора сделаны фасонные канавки, в которые установлены фасонные полукольца уплотнений, имеющие наружную поверхность, совмещенную с цилиндрической поверхностью статора, а ротор, на дисках которого в секторах, свободных от нагнетаемого крыла, выполнены выборки, закрывающиеся фильтром-ограждением.

Полученным техническим результатом использования ротационного компрессора является то, что в нем встроенный в тело статора теплообменник будет эффективно отводить от него тепло сжатия газа.

Полученным техническим результатом использования ротационного компрессора является то, что в нем утечки газа через зазоры будут меньше.

Полученным техническим результатом использования ротационного компрессора является то, что в нем износ уплотнений и боковых торцов пластинчатых перегородок будет меньше.

Полученным техническим результатом использования ротационного компрессора является то, что в нем попадание в открытый охват вращающегося ротора под нагнетаемое крыло тел различного размера исключается.

Сущность изобретения поясняется с помощью чертежей. На фиг.1 изображен продольный разрез ротационного компрессора с местными разрезами. На фиг.2 изображен поперечный разрез ротационного компрессора.

На фиг.1 и 2 в ротационном компрессоре центральная ось статора 1 находится на одной линии (соосно) с осью вращения ротора 2. Ротор 2 состоит из двух круглых, равных, расположенных на одной оси и на определенном расстоянии, соединенных между собой дисков 3. На внешних сторонах дисков 3, в их центральных сквозных отверстиях установлены выполненные как единое целое выступающие наружу корпусы подшипников. К свободному торцу, например, левого (см. фиг.1) корпуса подшипников диска 3 с помощью глухого фланца крепится соосно с ротором приводной вал 4, соединенный далее через редуктор с двигателем. Диски ротора 2 соединены между собой в единое целое нагнетаемым крылом 5, выполненным в виде части кольца, составленного из половины кольца и упреждающей части, но не больше восьмой части кольца, в данном случае это двенадцатая часть кольца. При этом внутренняя поверхность нагнетаемого крыла 5 с началом от тыльной кромки до полукольца является нагнетаемой плоскостью, дальнейшее продолжение ее является упреждающей плоскостью. Упреждающую плоскость нагнетаемого крыла выполняют от нулевого значения до расчетного в зависимости от плотности газовой среды, в которой будет использоваться ротационный компрессор. Например, нагнетаемое крыло 5 при нулевом значении упреждающей плоскости образуется половиной кольца, и используется при разреженной газовой среде. Ось тела вращения нагнетаемого крыла 5 находится от параллельной ей оси вращения ротора 2 на расстоянии эксцентриситета, определяющего его угол атаки. Нагнетаемое крыло 5 установлено так, что ось тела вращения нагнетаемого крыла 5, ось вращения ротора 2 и тыльная кромка нагнетаемого крыла 5 расположены на общей для них условной секущей плоскости. Кромка крыла, удаленная от оси вращения ротора, представляется атакующей кромкой. Вторая кромка крыла 5 является тыльной кромкой. Длина нагнетаемого крыла 5 – это расстояние между дисками 3. А ширина нагнетаемого крыла 5, согнутого с определенным радиусом, – это длина его развертки. При этом на боковых поверхностях дисков 3 ротора, в секторах, свободных от нагнетаемого крыла 5, выполнены по всей площади неглубокие выборки в виде сектора. Кромки выборок, расположенные ближе к атакующей кромке нагнетаемого крыла, плавно переходят на основное тело дисков. От атакующей кромки к тыльной кромке нагнетаемого крыла 5, заподлицо с внутренней поверхностью крыла прикреплены две узкие поддерживающие полосы 6 в виде оставшейся части кольца радиусом гибки как у нагнетаемого крыла. Для балансировки ротора 2 на дисках устанавливаются противовесы. Нагнетаемое крыло 5 с поддерживающими полосами 6 охватывает круглую цилиндрическую часть статора 1, находящуюся на одной оси с осью вращения ротора 2. Диаметр цилиндрической части статора 1 меньше внутреннего диаметра нагнетаемого крыла 5, а его длина равна длине нагнетаемого крыла 5. Диаметр цилиндрической части статора подбирается таким, чтобы образующая линия его цилиндра в месте сближения проходила от образующей линии внутренней поверхности нагнетаемого крыла 5 на минимальном расстоянии. В результате тыльная кромка нагнетаемого крыла 5 находится на минимальном расстоянии от поверхности цилиндрической части статора 1. В теле цилиндрической части статора 1, по секущей плоскости, проходящей через его центральную ось (радиально), выполнены по всей длине противоположно расположенные прорези. Прорези соединяются двумя отверстиями. В прорези устанавливаются две одинаковые, прямоугольные пластинчатые перегородки 7, а в отверстия устанавливаются штанги толкателей 8 и пружины, распирающие пластинчатые перегородки. Пластинчатые перегородки 7 соединены подвижно со штангами толкателей 8 с определенным зазором, который определяется при расположении пластинчатых перегородок 7 перпендикулярно к плоскости, проходящей через оси вращения нагнетаемого крыла 5 и статора 1. Пластинчатые перегородки, обеспечивая уплотнение и контакт с боковыми поверхностями прорезей, не должны из них выпадать. Длина пластинчатой перегородки 7 равна длине нагнетаемого крыла 5. Толщина выполненных в теле цилиндрической части статора 1 прорезей равна толщине перегородок, а глубина прорезей равна ширине пластинчатых перегородок 7. По обе стороны от пластинчатых перегородок находятся выполненные в теле цилиндрической части статора 1 две полости, соединенные между собой отверстиями. Полости не имеют выхода на торцы цилиндрической части статора. На торцах цилиндрической части статора 1, по наибольшему диаметру выполнены фасонные канавки, в которые вставлены с учетом размещения пластинчатых перегородок фасонные полукольца уплотнений 9, выходящая наружу поверхность которых обеспечивает одну образующую линию с поверхностью цилиндрической части статора. На торце цилиндрической части статора 1, обращенном к корпусу подшипников с приводным валом 4, соосно оси, образуя единое целое статора, выполнена ось. На эту ось с помощью подшипников крепится ротор 2. Подшипники располагаются в корпусе подшипников. На другом торце цилиндрической части статора 1, по его оси, соосно, образуя единое целое статора, выполнен патрубок выхода 10 сжатого газа. В патрубок выхода 10 введены две трубы, которые, соединяясь с полостями в теле цилиндрической части статора 1, образуют теплообменник 11. Одна из труб входит в одну полость теплообменника 11, а другая входит во вторую полость. Трубы входа и выхода теплообменника 11 выведены наружу через патрубок выхода 10. В одну из этих труб подается охлажденный теплоноситель на теплообмен, а из второй он выходит. На патрубок выхода 10 устанавливается подшипник, который закрепляется в корпусе подшипников правого диска 3 (см. фиг.1) и закрывается фланцем с центральным сквозным отверстием. В результате ротор 2 опирается на две опоры и может вращаться. Если осуществить вращение ротора 2, то пластинчатые перегородки 7 через половину оборота попеременно будут входить в контакт с внутренней поверхностью нагнетаемого крыла 5 и поддерживающих полос 6 и перемещаться в прорезях возвратно-поступательно. При этом в непрерывной последовательности образуются охватывающие объемы – камеры сжатия. Охватывающий объем ограничивается внутренней поверхностью нагнетаемого крыла 5, боковыми поверхностями дисков 3, наружной поверхностью цилиндрической части статора 1, поверхностью той или иной перегородки 7 и тыльной кромкой нагнетаемого крыла. По ходу вращения ротора, а вращение ротора осуществляется в направлении атакующей кромки крыла 5, на цилиндрической части статора 1 перед пластинчатыми перегородками 7 установлены клапаны нагнетания 12. Клапаны нагнетания 12 представляют собой закрытые подпружиненными клапанными плитами щели, выполненные в теле статора 1, и расположены вдоль перегородок 7 как можно ближе к ним. Клапаны нагнетания 12 соединены с выполненными в теле корпуса статора 1 каналами нагнетания достаточного объема, которые соединены с патрубком выхода 10. За патрубок выхода с помощью опорного устройства 13 ротационный компрессор крепится к фундаменту, опоре. Также к патрубку выхода 10 и опорному устройству 13 крепится фильтр-ограждение 14, закрывающий ротор 2. Фильтр-ограждение 14 представляет собой сетчатый каркас, ограничивающий доступ к вращающемуся ротору, на поверхность которого нанесен фильтрующий элемент.

Работа ротационного компрессора осуществляется следующим образом. Ротационный компрессор устанавливается в откачиваемую среду. Трубы входа и выхода теплообменника 11 подключаются, например, в замкнутый контур с циркулирующим от компрессора к радиатору и обратно теплоносителем, охлаждающимся конвективно. Электродвигатель через вал привода 4 приводит во вращение ротор 2 в направлении атакующей кромки нагнетаемого крыла 5, осуществляя тем самым запуск и работу ротационного компрессора. Пусть в начальный момент вращения ротора 2 начало нагнетаемой плоскости нагнетаемого крыла 5 контактирует с верхней выдвинутой из прорези перегородкой 7. Тогда тыльная кромка нагнетаемого крыла 5 находится в контакте с нижней утопленной в прорези пластинчатой перегородкой 7, которая соединена подпружиненными штангами толкателей 8 с противоположной перегородкой. Во время вращения ротора 2 атакующая кромка крыла 5 двигается по описанной окружности, и поэтому захватывает соответствующий своему радиусу слой откачиваемой газовой среды, осуществляя охватом наполнение охватывающего объема – камеры сжатия. Охватывающий объем заключен между боковыми поверхностями дисков ротора 2, между внутренней и наружной поверхностями нагнетаемого крыла 5 и статора 1 соответственно. Одновременно нагнетаемая плоскость нагнетаемого крыла 5 давит на верхнюю перегородку 7 и погружает ее в прорезь статора. А нижняя пластинчатая перегородка 7, выталкиваемая подпружиненными штангами 8, выходит из прорези. Расстояние между нагнетаемой плоскостью нагнетаемого крыла 5 и плоскостью цилиндрической части статора 1 уменьшается. Как следствие, нагнетаемое крыло нагнетаемой плоскостью сжимает захватываемый атакующей кромкой газ. В результате сжатия сжимаемый газ стремится выйти из незамкнутого охватывающего объема. Но нагнетаемое крыло 5 вращающегося с определенной угловой скоростью ротора 2 стремится при этом своей упреждающей плоскостью замкнуть объем на нижней перегородке 7. Так как газ сжимаем, скорость распространения возникающего уплотнения не достигает критического значения, чтобы помешать наполнению охватывающего объема атакующей кромкой крыла 5, и поэтому упреждающая плоскость нагнетаемого крыла 5 успевает войти в контакт с нижней пластинчатой перегородкой 7. Можно считать, что произошло максимальное заполнение охватывающего объема – камеры сжатия. Если учитывать предварительное сжатие газа при заполнении камеры сжатия, то можно говорить об эффективности ее наполнения. По принципу действия заполнение объема камеры сжатия относится к поточному. При дальнейшем вращении ротора 2 атакующая кромка нагнетаемого крыла 5 захватывает соответствующий своему радиусу слой откачиваемой газовой среды уже слева (см. фиг.2), осуществляя наполнение второго охватывающего объема. Процесс заполнения нового объема не отличается от вышеописанного. При этом тыльная кромка нагнетаемого крыла 5, проходящая на минимальном расстоянии от цилиндрической части статора 1, через угол поворота ротора 2, определяемый упреждающей частью крыла, утопит в прорезь верхнюю пластинчатую перегородку 7. А следующая за атакующей кромкой упреждающая плоскость нагнетаемого крыла 5, вошедшая в контакт с нижней перегородкой 7, при вращении ротора 2 увеличивает объем перед пластинчатой перегородкой 7 и смягчает газовый удар возникающего уплотнения. Поэтому следующая за ней нагнетаемая плоскость нагнетаемого крыла 5 безударно изменяет объем камеры сжатия, погружая нижнюю пластинчатую перегородку 7 в прорезь, которая подпружиненной штангой 8 выдвигает верхнюю пластинчатую перегородку 7 из прорези. В результате объем камеры сжатия уменьшается и происходит сжатие газа. По мере приближения тыльной кромки нагнетаемого крыла 5 к нижней перегородке 7 давление в камере сжатия возрастает настолько, что нагнетаемый клапан 12 открывается и нагнетаемое крыло 5 нагнетаемой плоскостью и тыльной кромкой задавливает сжатый газ в канал нагнетания, откуда он поступает потребителю. А когда тыльная кромка нагнетаемого крыла вращающегося ротора 2 пересечет клапан нагнетания, он закроется. Передающееся тепло сжатия сжимаемого газа от поверхности корпуса статора 1 и от наружной поверхности каналов нагнетания, а также тепло трения от поверхности корпуса статора 1 поступают к поверхности теплообменника 11, переходят в нем к теплоносителю и выводятся теплоносителем в окружающую среду. При работе компрессора полукольца уплотнений 9 вступают в контакт с боковыми плоскостями дисков 3 ротора лишь тогда, когда его секторы с нагнетаемым крылом 5 набегают на них. Значит, контакт уплотнений с ними сокращается почти вдвое. Ротор 2 ротационного компрессора вращается постоянно, поэтому охватывающие объемы будут образовываться в непрерывной последовательности, и ротационный компрессор будет работать и сжимать газовую среду. Причем в определенных условиях и при нулевом значении упреждающей плоскости нагнетаемого крыла 5 ротационный компрессор может работать как вакуумный насос, создавая достаточную разреженность в откачиваемой газовой среде за счет принудительного заполнения газом камер сжатия методом охвата. Учитывая, что при наполнении объемов камер сжатия в ротационном компрессоре осуществляется предварительное сжатие газа путем воздействия нагнетаемой плоскости нагнетаемого крыла 5 вращающегося ротора 2 на захватываемый атакующей кромкой газ с последующим объемным сжатием газа в камере сжатия, данный компрессор относится к классу компрессоров поточно-объемного действия.

Формула изобретения

Ротационный компрессор, содержащий статор, ротор, клапан нагнетания и пластинчатые перегородки, отличающийся тем, что в нем соосный со статором ротор выполнен в виде двух расположенных на одной оси и соединенных между собой дисков, имеющих на внешней стороне расположенные в центральных сквозных отверстиях корпусы подшипников, к торцу одного из которых крепится вал привода, при этом соединены диски ротора выполненным в виде части кольца нагнетаемым крылом, через тыльную кромку которого через его ось вращения, находящуюся на расстоянии эксцентриситета от параллельной ей оси вращения ротора, и через ось вращения ротора проходит условная секущая плоскость, а от атакующей кромки нагнетаемого крыла к его тыльной кромке прикреплены две полосы в виде оставшейся части кольца, и в это цилиндрическое пространство по плоскости, проходящей через ось вращения ротора, вписываются две одинаковые, равные длине нагнетаемого крыла пластинчатые перегородки, соединенные с зазором через пружины со штангами толкателей и установленные в соединенные отверстиями для штанг толкателей прорези, выполненные в статоре, глубиной, равной ширине перегородок, а длиной – длине перегородок и статора, имеющего форму круглого цилиндра с образующей линией, проходящей от образующей линии внутренней поверхности нагнетаемого крыла в месте сближения на минимальном расстоянии, и на торце которого, обращенном к корпусу подшипников с приводным валом, выполнена ось, на которую с помощью подшипников крепится ротор, а на другом торце находится соосный с осью статора патрубок выхода, на который с помощью подшипников опирается ротор, при этом в теле цилиндрической части статора перед пластинчатыми перегородками, встречающимися с атакующей кромкой нагнетаемого крыла, вращающегося в ее направлении, выполнены клапаны нагнетания, каналы нагнетания которых соединены с патрубком выхода, а с одной и с другой стороны от пластинчатых перегородок выполнены две соединенные между собой полости, представляющие теплообменник, из которых через патрубок выхода выведены наружу труба входа в одну полость и труба входа в другую, к тому же на торцах цилиндрической части статора сделаны фасонные канавки, в которые установлены фасонные полукольца уплотнений, имеющие наружную поверхность, совмещенную с цилиндрической поверхностью статора, а ротор, на дисках которого в секторах, свободных от нагнетаемого крыла, выполнены выборки, закрывается фильтром-ограждением.

РИСУНКИ