Патент на изобретение №2156862

(54) ОБЪЕМНАЯ СФЕРИЧЕСКАЯ РОТОРНАЯ МАШИНА

(57) Реферат:

Изобретение относится к машинам объемного действия и может быть использовано в качестве двигателя, насоса или компрессора. Корпус машины состоит из двух полукорпусов 1, 2. В сферической полости корпуса размещен центральный ротор 4, соединенный с каждой стороны диаметральным шарниром с соответствующим секторным ротором 5, 6. Роторами 4, 5, 6 образованы рабочие камеры 9, 10, 11, 12. Диаметральный шарнир секторного ротора 6 имеет две полуоси 15, 16, которые установлены на выступах ротора 6 и фиксируются на нем крепежно-установочными устройствами. Цапфы полуосей 15, 16 находятся в расточках в мениске 19 центрального ротора 4. Секторный ротор 6 имеет сферическую полость, повторяющую форму мениска 19. Диаметральный шарнир секторного ротора 5 может иметь сплошную цилиндрическую ось, а может иметь менисковую конструкцию, аналогичную шарниру ротора 6. Этим обеспечивается увеличение скорости вращения роторов при обеспечении собираемости роторного узла. За счет того, что секторные роторы 5, 6 имеют систему сквозных каналов 20 – 25, обеспечивается смазка и охлаждение деталей машины. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к машинам объемного действия, и может быть использовано в качестве двигателя, насоса или компрессора.

Известны объемные сферические роторные машины, содержащие корпус, в сферической полости которого размещены три ротора, образующие четыре рабочих камеры, центральный ротор соединен с каждой стороны диаметральным шарниром с соответствующим секторным ротором, причем каждый диаметральный шарнир выполнен в виде цилиндрической оси, выполненной заодно с секторным ротором, и цилиндрического углубления в центральном роторе, в котором размещена цилиндрическая ось (акцептованная заявка Японии N 47-44565, кл. 59 В 61, 1972, заявка PCT/SU 89/00133, публ. WO 90/14502, F 01 С 3/00, 1990).

Недостатком таких машин является сложность ремонта, так как при износе деталей шарниров требуется замена целиком роторов.

Наиболее близкой к предложенной является объемная сферическая роторная машина, содержащая корпус с четырьмя впускными-выпускными каналами, размещенные в сферической полости корпуса три ротора, образующие четыре рабочих камеры, центральный ротор соединен с каждой стороны диаметральным шарниром с соответствующим секторным ротором в виде шарового сектора с валом, оси диаметральных шарниров перпендикулярны между собой, диаметральный шарнир каждого секторного ротора имеет две полуоси, установленные на выступах этого секторного ротора, а центральный ротор имеет расточку, в которой расположено уплотнение (авт. свид. СССР N877129, F 04 С 9/00, 1981 г.).

Недостатком этой машины является свободное размещение полуосей диаметральных шарниров, упрощающее сборку машины, но ограничивающее скорость вращения роторов из-за высоких центробежных нагрузок незакрепленных полуосей на сферообразующую поверхность корпуса машины.

Технический результат предложения заключается в обеспечении увеличения скорости вращения роторов при обеспечении собираемости роторного узла. Кроме того, в предложенной машине обеспечивается возможность смазки и охлаждения роторного узла.

Технический результат достигается тем, что в объемной сферической роторной машине, содержащей корпус с четырьмя впускными – выпускными каналами и размещенные в сферической полости корпуса три ротора, образующие четыре рабочих камеры, центральный ротор соединен с каждой стороны диаметральным шарниром с соответствующим секторным ротором в виде шарового сектора с валом, оси диаметральных шарниров перпендикулярны между собой, первый диаметральный шарнир первого секторного ротора имеет две полуоси, установленные на выступах этого секторного ротора, полуоси зафиксированы на секторном роторе крепежно-установочными устройствами, центральный ротор имеет выступ в виде мениска сферической формы, соосный со сферической полостью корпуса, первый секторный ротор имеет сферическую полость, повторяющую форму мениска. Кроме того, мениск центрального ротора имеет расточки, а со стороны, обращенной к центру, каждая полуось имеет цапфу, размещенную в соответствующей расточке мениска.

В одних случаях второй диаметральный шарнир может иметь одну сплошную цилиндрическую ось.

В других случаях второй диаметральный шарнир может иметь менисковую конструкцию, аналогичную первому.

Кроме того, в одних случаях секторный ротор может иметь сквозной канал, соосный валу или расходящийся веерообразно на два и более каналов в шаровом секторе, которые выходят на боковую поверхность сплошной цилиндрической оси второго диаметрального шарнира, где соединены между собой каналом, расположенным вдоль образующей сплошной оси, а со стороны мениска выходят через отверстия на боковой поверхности полуосей в полуось и проходят в сторону мениска, через радиальные каналы от расточек в мениске сходятся в центре центрального ротора с возможностью сообщения с каналом сплошной оси второго диаметрального шарнира при прецессионном движении роторов друг относительно друга.

Кроме того, в других случаях каждый секторный ротор может иметь сквозной канал, соосный валу или расходящийся веерообразно на два и более каналов в шаровом секторе, а мениски имеют радиальные каналы, сходящиеся в центре и соединенные с каналами обоих секторных роторов.

Кроме того, корпус может иметь маслосъемную дренажную щель, расположенную в экваториальном секторе зоны сплошного перекрытия сферической камерообразующей поверхности корпуса центральным ротором при его прецессионном движении и образующую секторный канал, имеющий один и более радиальных дренажных каналов.

Кроме того, корпус может состоять из двух полукорпусов, соединенных между собой в экваториальной плоскости, равноудаленной от полюсов машины в каждом меридианном сечении, один из полукорпусов имеет в этой плоскости кольцевую проточку, в которой размещен кольцевой выступ другого полукорпуса, образуя центрирующее устройство.

Кроме того, полукорпуса могут быть скреплены с помощью устройства, обеспечивающего возможность их углового смещения друг относительно друга и нулевого меридиана.

Кроме того, маслосъемная дренажная щель может быть расположена в плоскости разъема полукорпусов между центрирующим устройством и сферической камерообразующей поверхностью корпуса.

На фиг.1 показана объемная сферическая роторная машина, продольный разрез; на фиг. 2 – то же, с повернутыми на 90 градусов роторами; на фиг.3 показана система координат машины, аналогичная географическим координатам, в которой:
– точки А, В – полюса машины – образованы пересечением осей вращения секторных роторов с камерообразующей сферической поверхностью корпуса;
– угол – угол прецессии машины;
– дуга ACB – нулевой меридиан системы координат – линия на сферической поверхности, соединяющая кратчайшим путем полюса машины, за положительное направление отсчета координаты принимается направление вращения роторов машины в основном рабочем цикле;
– угол – широта координаты, исчисляется от оси вращения секторных роторов;
– экватор – линия на сферической поверхности, равноудаленная от полюсов в каждом меридианном сечении, окружность с точками PC;
– линия AMPB – меридианное сечение сферы; АС=CB; АР=PB, где точка М имеет координаты: широта – угол , долгота – угол .
Объемная сферическая роторная машина имеет корпус, состоящий из двух полукорпусов 1 и 2, соединенных между собой хомутом 3. В сферической полости корпуса размещены три ротора: центральный ротор 4 и два секторных ротора 5, 6. Центральный ротор 4 соединен с каждой стороны диаметральным шарниром с соответствующим секторным ротором 5, 6, каждый из которых состоит из шарового сектора, выполненного заодно с валом 7 или 8. Роторы 4, 5, 6 образуют четыре камеры: камеры 9 и 10, смежные с секторным ротором 5, и камеры 11 и 12, смежные с секторным ротором 6. Прецессия машины составляет 26^o . Валы 7 и 8 установлены в полукорпусах 1,2 в подшипниковых узлах с коренными подшипниками 13 и 14. Диаметральный шарнир секторного ротора 6 имеет две полуоси 15 и 16, установленные на выступах секторного ротора 6 и фиксирующиеся на нем в его теле крепежно-установочными устройствами: штифтом 17 и болтом 18, которые исключают возможность смещения полуоси 15 или 16 относительно секторного ротора 6. Со стороны, обращенной к центру сферы, каждая полуось 15, 16 имеет цапфу. Цапфы находятся в расточках центрального ротора 4, расположенных в его выступе, выполненном в виде мениска 19 сферической формы. Мениск 19 соосен камерообразующей сферической поверхности корпуса. Секторный ротор 6 имеет сферическую полость, повторяющую форму мениска 19 и образующую выступы, на которых расположены полуоси 15, 16 менискового шарнира. Цапфы полуосей 15, 16 менискового шарнира могут иметь сложную, ступенчатую форму, при этом расточки в мениске 19 повторяют ее форму. Второй диаметральный шарнир секторного ротора 5 имеет одну сплошную цилиндрическую ось. При этом мениск в шарнире отсутствует, а ось может быть выполнена отдельно от секторного ротора и крепиться к нему аналогично полуосям 15, 16 менискового шарнира. Отсутствие мениска в шарнире делает объем смежных камер 9, 10 секторного ротора 5 больше объема смежных камер 11, 12 ротора 6, что может быть использовано в машинах с комбинированным циклом.

Второй вариант исполнения машины, в которой оба диаметральных шарнира имеют менисковую конструкцию, при этом объем камер 9, 10, 11, 12 может быть одинаков.

Применение крепежно-установочных устройств для фиксации и крепления осей диаметральных шарниров позволяет увеличить скорость вращения роторов, обеспечивая при этом условие собираемости роторного узла. Цапфы полуосей повышают несущую способность менискового шарнира. Перечисленные особенности диаметральных шарниров роторного узла позволяют увеличить производительность и ресурс машины.

Машина имеет центрирующее устройство, позволяющее изменять значение фаззадающего угла. Полукорпуса 1 и 2 соединены между собой в экваториальной плоскости, равноудаленной от полюсов машины в каждом меридианном сечении. В одном из полукорпусов 1 имеется кольцевая проточка, в которую входит кольцевой выступ второго полукорпуса 2, образуя центрирующее устройство. Полукорпуса 1, 2 скреплены между собой устройством – хомутов 3, обеспечивающим их угловое смещение относительно друг друга и нулевого меридиана.

Взаимное угловое смещение полукорпусов 1 и 2 позволяет изменять значение фазозадающего угла, что дает возможность оптимизировать рабочий цикл машины в широком диапазоне скоростей вращения роторов. При угловом смещении полукорпусов 1,2 одновременно с изменением фазозадающего угла происходит изменение угла прецессии, которое может быть использовано с положительным результатом. При уменьшении угла прецессии несколько уменьшается объем рабочей камеры, но при этом увеличивается объем взведенной камеры, в которой с ростом скорости вращения роторов увеличивается количество отработанного рабочего тела, не успевающего покинуть взводимую камеру. Уменьшение угла прецессии с ростом скорости вращения роторов снижает нагрузки в роторном узле, обусловленные динамикой и кинематикой машины.

Перечисленные особенности центрирующего устройства позволяют повысить эффективность машины в широком диапазоне скоростей вращения роторов, снизить нагрузки в роторном узле, что увеличивает производительность и ресурс машины.

Для обеспечения смазки и охлаждения роторного узла, секторные роторы 5,6 имеют каждый сквозной канал 20 и 21, соосный валу 7,8 или расходящийся веерообразно на два и более каналов в шаровом секторе. В секторном роторе 5 каналы выходят на боковую поверхность сплошной цилиндрической оси, где соединены между собой каналом 22, расположенным вдоль образующей сплошной оси секторного ротора 5. Со стороны менискового шарнира секторного ротора 6 каналы выходят через отверстия на боковой поверхности полуосей 15 и 16 в полуось 15, 16 и ведут в сторону мениска 19. В мениске 19 через радиальные каналы 23 и 24 от расточек каналы сходятся в центре ротора 4 и образуют полость 25. Образованная полость сообщается с каналом 22 оси сплошного диаметрального шарнира при прецессионном движении роторов 4 и 5 друг относительно друг друга. Возможен вариант исполнения машины, в которой оба диаметральных шарнира имеют менисковую конструкцию. При этом в роторе 4, имеющем два менисковых шарнира, радиальные каналы обоих менисковых шарниров сходятся в центре, соединяя каналы обоих секторных роторов 5, 6. Цапфы полуосей 15 и 16 менискового шарнира препятствуют выходу масла из проточек в мениске. Масло в менисковый шарнир подводится от канала в полуоси 15 и 16 через капиллярные отверстия 22.

В машине, не требующей охлаждения роторного узла, сквозной соосный канал 20 ротора 5 выходит на сплошную ось диаметрального шарнира в полость центрального ротора 4, откуда по радиальным каналам мениска 19 подходит к полуосям 15, 16 менискового шарнира. В секторном роторе 6 сквозной канал может отсутствовать, а сечение подводящих каналов и канала 22 может быть уменьшено.

Через каналы роторного узла прокачивается под давлением масло, основная масса которого, охлаждая роторы, отводится в теплообменник машины. Под действием давления и центробежных перегрузок обеспечивающее смазку диаметральных шарниров, масло перемещается к периферии, где скапливается в зазоре между центральным ротором 4 и камерообразующей поверхностью корпуса машины. Использование смазки и охлаждение роторного узла позволяет увеличить производительность и ресурс машины.

Для удаления масла с периферии дискового ротора корпус машины имеет маслосъемную дренажную щель 27, расположенную в плоскости разъема полукорпусов 1 и 2, между центрирующим устройством и камерообразующей сферической поверхностью. Устройство находится в секторе зоны сплошного перекрытия камерообразующей сферической полости центральным ротором 4 при его прецессионном движении. Сектор зоны сплошного перекрытия расположен симметрично 180 меридиану, его размер зависит от диаметра осей диаметральных шарниров и прецессии машины. Щель 27 на камерообразующей сферической поверхности между кромками полукорпусов 1,2 образует секторный канал 28. Образованный канал 28 имеет один и более радиальных дренажных каналов 29.

В канале 28 скапливается собранное щелевым устройством масло и проникшее через зазоры рабочее тело, которые отводятся по дренажным каналам 29 в приемник системы смазки и охлаждения машины.

Машина работает следующим образом.

В каналы 32,31 подается под давлением рабочее тело. При прохождении роторами 4, 5, 6 положения смены циклов (фиг.3) рабочее тело поступает в взведенную рабочую камеру 10 из канала 31. Происходит наддув этих камер 10,11, и совершается рабочий ход, называемый рабочим циклом. Одновременно с этим в смежных камерах 9 и 12, открытых и сообщающихся с выпускными каналами 32, 33 происходит истечение отработанного рабочего тела с одновременным уменьшением объема камер 9, 12.

Формула изобретения

1. Объемная сферическая роторная машина, содержащая корпус с четырьмя впускными-выпускными каналами и размещенные в сферической полости корпуса три ротора, образующие четыре рабочих камеры, центральный ротор соединен с каждой стороны диаметральным шарниром с соответствующим секторным ротором в виде шарового сектора с валом, оси диаметральных шарниров перпендикулярны между собой, первый диаметральный шарнир первого секторного ротора имеет две полуоси, установленные на выступах этого секторного ротора, отличающаяся тем, что полуоси зафиксированы на секторном роторе крепжежно-установочными устройствами, центральный ротор имеет выступ в виде мениска сферической формы, соосный со сферической полостью корпуса, а первый секторный ротор имеет сферическую полость, повторяющую форму мениска.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что мениск центрального ротора имеет расточки, а со стороны, обращенной к центру, каждая полуось имеет цапфу, размещенную в соответствующей расточке мениска.

3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что второй диаметральный шарнир имеет одну сплошную цилиндрическую ось.

4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что второй диаметральный шарнир имеет менисковую конструкцию, аналогичную первому.

5. Машина по п. 3, отличающаяся тем, что каждый секторный ротор имеет сквозной канал, соосный валу или расходящийся веерообразно на два и более каналов в шаровом секторе, которые выходят на боковую поверхность сплошной цилиндрической оси второго диаметрального шарнира, где соединены между собой каналом, расположенным вдоль образующей сплошной оси, а со стороны мениска выходят через отверстия на боковую поверхность полуосей в полуось и проходят в сторону мениска, через радиальные каналы от расточек в мениске сходятся в центре центрального ротора с возможностью сообщения с каналом сплошной оси второго диаметрального шарнира при прецессионном движении роторов друг относительно друга.

6. Машина по п.4, отличающаяся тем, что каждый секторный ротор может иметь сквозной канал, соосный валу или расходящийся веерообразно на два и более каналов в шаровом секторе, а мениски имеют радиальные каналы, сходящиеся в центре и соединенные с каналами обоих секторных роторов.

7. Машина по любому из пп.1 – 6, отличающаяся тем, что корпус имеет маслосъемную дренажную щель, расположенную в экваториальном секторе зоны сплошного перекрытия сферической камерообразующей поверхности корпуса центральным ротором при его прецессионном движении и образующую секторный канал, имеющий один и более радиальных дренажных каналов.

8. Машина по любому из пп.1 – 7, отличающаяся тем, что корпус состоит из двух полукорпусов, соединенных между собой в экваториальной плоскости, равноудаленной от полюсов машины в каждом меридианном сечении, один из полукорпусов имеет в этой плоскости кольцевую проточку, в которой размещен кольцевой выступ другого полукорпуса, образуя центрирующее устройство.

9. Машина по п.8, отличающаяся тем, что полукорпуса скреплены с помощью устройства, обеспечивающего возможность их углового смещения друг относительно друга и нулевого меридиана.

10. Машина по п.8, отличающаяся тем, что маслосъемная дренажная щель расположена в плоскости разъема полукорпусов между центрирующим устройством и сферической камерообразующей поверхностью корпуса.

РИСУНКИ