Роторный компрессор

 

Изобретение относится к компрессоростроению. Роторный компрессор содержит цилиндрическую рабочую полость с размещенным в ней с эксцентриситетом ротором, всасывающее окно, нагнетательный клапан и разделительный элемент, выполненный в виде валика с цилиндрической поверхностью, параллельной оси вращения ротора, и установленный во вспомогательной полости. Валик жестко закреплен на роторе с возможностью совершения с ним совместного кругового орбитального движения. Ротор с валиком установлены с зазором относительно цилиндрических поверхностей рабочей полости и вспомогательной полости соответственно, что исключает необходимость подачи смазки в рабочую зону компрессора и обеспечивает возможность сжатия чистых газов. 2 з.п.ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к компрессоростроению. Известен роторный компрессор, содержащий цилиндрическую рабочую полость с размещенным в ней с некоторым эксцентриситетом ротором. Работа компрессора основана на изменении объема полости, образованной поверхностями цилиндрической рабочей полости и вращающегося в ней ротора (US 3521981 А, 22.07.1970, 6 F 04 C 17/302).

Известен также роторный компрессор, содержащий цилиндрическую рабочую полость с размещенным в ней с некоторым эксцентриситетом ротором, разделительный элемент, выполненный в виде валика с цилиндрической поверхностью, параллельной оси вращения ротора, при этом диаметр валика меньше диаметра ротора, а валик расположен во вспомогательной полости (AT 395202 В, 27.10.1992, F 04 C 18/356).

Недостатком известных конструкций является практически невозможное их использование без значительного количества спрыскиваемой смазочной жидкости, предотвращающей активное трение разделительного элемента.

Данное обстоятельство существенно усложняет и повышает стоимость компрессорной установки в том случае, если потребителю необходим чистый сжатый газ, а в отдельных случаях (сжатие кислорода, газов для медицинской техники пищевой, фармацевтической промышленности и т.д) делает использование данного типа компрессора невозможным несмотря на его высокие потенциальные свойства - компактность, возможность создания хорошо уравновешенных конструкций и т. д.

Задачей изобретения является исключение необходимости подачи смазки в рабочую зону компрессора и обеспечение возможности сжатия чистых газов.

Поставленная задача может быть решена в роторном компрессоре, содержащем цилиндрическую рабочую полость с размещенным в ней с эксцентриситетом ротором, всасывающие окно, нагнетательный клапан и разделительный элемент, выполненный в виде валика с цилиндрической поверхностью, параллельной оси вращения ротора, и установленный во вспомогательной полости, при этом валик жестко закреплен на роторе с возможностью совершения с ним совместного кругового орбитального движения при этом ротор с валиком установлены с зазором относительно цилиндрических поверхностей рабочей полости и вспомогательной полости соответственно. Кроме того, диаметр валика может быть меньше диаметра ролика или валик может быть выполнен в виде кольца с внутренним диаметром, большим диаметра ротора.

Сущность изобретения поясняется чертежами (см. фиг. 1-12). На фиг. 1 изображено продольное сечение компрессора, в котором диаметр валика меньше диаметра ротора; фиг. 2-7 служат для пояснения его работы, на них дано последовательное по углу поворота приводненного вала положение рабочего органа. На фиг. 8 изображено продольное сечение компрессора, в котором валик выполнен в виде кольца с внутренним диаметром, большим диаметра ротора; фиг. 9-12 служат для пояснения работы данного варианта компрессора.

Компрессор состоит (см. фиг. 1, 2) из обечайки 1, в которой жестко установлены плиты 2 и 3, между которыми зажата корпусная плита 4.

Ротор 5 и жестко закрепленный на нем валик 6 представляют собой рабочий орган компрессора, совершающий орбитальное движение (в плоскости, перпендикулярной плоскости фиг. 1) за счет вращения эксцентриков 7, получающих движение от приводного вала 8 через ведущую шестерню 9 и ведомые шестерни 10, 11. Кроме того, с целью полного уравновешивания компрессора на валу 8 в противофазе ротору 5 с валиком 6 установлены противовесы 12 и 13. Рабочая полость 14 соединена через самодействующий клапан 15 с полостью нагнетания 16, из которой сжатый газ попадает потребителю. Пластины 17 и 18 служат для герметизации компрессора и поддержки вала 8. Полость всасывания 19 соединена с источником газа и с камерой 14 через всасывающее окно 20 (см. фиг. 2), которое может быть изготовлено, например, в виде паза в корпусной плите 4. Цилиндрическая поверхность 21 с валиком 6 образуют вспомогательную полость 22, а цилиндрическая поверхность 23 с ротором 5 - рабочую полость 14. Между поверхностями ротора 5 с валиком 6 и окружающими их поверхностями 21 и 23 имеется минимально возможный зазор, обеспечивающий бесконтактную работу компрессора.

В компрессоре, изображенном на фиг. 8, плита 2 имеет сегментообразный выступ 24 (см. также фиг. 9), образованный неполными в данном случае цилиндрическими поверхностями 21 и 23, а ротор 6 выполнен в виде кольца, конструктивно совмещенного с ведущей плитой 25, и имеет внутреннюю цилиндрическую поверхность 26. Плита 25 вместе с ротором 6 получает орбитальное движение от эксцентриков 7. В остальном конструкция, изображенная на фиг. 8, идентична изображенной на фиг. 1, конструкция противовесов аналогична и условно не показана. Между рабочими поверхностями ротора 6 с валиком 5 и окружающими их поверхностями, образующими рабочую камеру, имеется минимально возможный зазор, обеспечивающий бесконтактную работку компрессора.

Утолщенными линиями на фиг. 1 и 8 обозначены подшипниковые узлы.

Компрессор работает следующим образом (см. фиг. 1-7). Приводной вал получает вращение от двигателя (не показан) и передает его через ведущую шестерню 9 на шестерни 10, 11 и далее - эксцентрикам 7, совершающим синхронное вращение и приводящим в движение ротор 5 с валиком 6, которые таким образом совершают совместное круговое орбитальное движение с некоторым эксцентриситетом, равным эксцентриситету эксцентриков 7. При этом диаметры поверхностей 21, 23, величина эксцентриситета валиков 7 и диаметры ротора 5 и валика 6 выполнены таким образом, что между поверхностями 21, 23 соответственно наружными поверхностями ротора 5 и валика 6 имеется минимальный, измеряемый несколькими микрометрами зазор, то есть при орбитальном движении ротора 5 с жестко установленным на нем валиком 6 не происходит контакта между их поверхностями и поверхностями 21 и 23. Толщина ротора 5 с валиком 6 выполнена на несколько микрометров меньше, чем толщина плиты 4, в связи с чем при орбитальном движении ротора 5 с валиком 6 не происходит их активного трения о плиты 2 и 3.

Предположим, что в некоторый момент времени ротор 5 с валиком 6 заняли положение, изображение на фиг. 2 (здесь и далее утолщенной стрелкой показан радиус-вектор, соответствующий угловому смещению ротора 5 с валиком 6). При этом левая и правая половина полости 22 изолированы друг от друга и от полости 14, а сама полость 14 еще соединена со всасывающим окном 20, и, очевидно, газ в ней находится под давлением всасывания.

При повороте на некоторый угол против часовой стрелки (см. фиг. 3) всасывающее окно 20 отсекается по полости 14, а сама полость 14 соединяется с правой частью полости 22. Левая часть полости 22 уменьшается в объеме и газ из нее перетекает в сторону всасывающего отверстия 20 через образовавшуюся щель.

При дальнейшем повороте (см. фиг. 4) объем рабочей (правой части) полости 14 уменьшается, а объем правой части полости 22 увеличивается, но поскольку диаметр последней меньше, чем диаметр полости 14, то при повороте на один тот же угол и при одинаковом эксцентриситете, что имеет место в заявляемой конструкции, суммарное изменение объема является отрицательным и давление газа повышается, и повышение продолжается до тех пор, пока совместное движение ротора 5 и валика 6 обеспечивает уменьшение суммарного объема полостей 14 и 22. При достижении некоторого давления (давления нагнетания) срабатывает клапан 15 и сжатый газ перетекает из полостей 14, 22 в полость нагнетания 16 и далее - потребителю.

Описанное движение ротора 5 с валиком 6 (см. фиг. 3-5) приводит к увеличению левой части полости 14 и всасыванию газа через окно 20. Минимальный объем правая часть полости 14 приобретает в положении, показанном на фиг. 6, а затем, когда она вновь соединяется с правой частью полости 22 (см. фиг. 7), ее объем начинает расти, т.е. процесс нагнетания закончен. Далее цикл повторяется.

Компрессор, сечение которого изображено на фиг. 8, работает аналогичным образом (см. фиг. 9-12). За начальное состояние примем положение и правой частью полости 22 и давление в этих полостях равно давлению всасывания, так как они соединены с окном всасывания 20.

При повороте ротора 5 с валиком 6 против часовой стрелки (см. фиг. 10) ротор 5 входит в соприкосновение с поверхностью 23 и отсекает таким образом полость 14 от левой части полости 22. При этом полость 14 остается соединенной с небольшой по объему правой частью полости 22.

При дальнейшем вращении ротора 5 с валиком 6 (см. фиг. 11) правая часть полости 22 уменьшается практически до нуля при одновременном уменьшении объема полости 14, что приводит к уменьшению их суммарного объема, сжатию газа и при достижении им давления нагнетания - нагнетанию через клапан 15 в полость нагнетании 16 (см. фиг. 8).

Дальнейшее орбитальное движение ротора 5 с валиком 6 приводит к разделению полости 14 на две части, причем левая часть соединяется со всасывающим окном 20 и заполняется всасываемым газом, а правая часть полости 14, находящаяся в зоне нагнетательного клапана 15, соединяется с начинающей уменьшаться и еще не разделенной на две части полостью 22 (см. фиг. 12), суммарный объем этих полостей превышает минимально достижимый объем правой части полости 14 (см. фиг. 11), что приводит к падению давления в зоне нагнетательного клапана 15 и прекращению процесса нагнетания (нагнетательный клапан 15 закрывается). При дальнейшем вращении происходит увеличение объема полости 14, идет всасывание газа, и затем цикл повторяется.

В предложенных конструкциях роторного компрессора в зоне всасывания, сжатия и нагнетания газа отсутствуют элементы, которые принципиально не могут работать без активного трения, и сила трения которых пропорциональна развиваемому компрессором давлению, как это характерно для известных роторных компрессоров, таким образом может быть организована полностью бесконтактная работа поверхностей, образующих камеру сжатия компрессора, что позволяет сжимать газы и смеси газов без их загрязнения продуктами износа и частицами смазочных жидкостей и их паров, а также существенно продлить ресурс работы компрессора.

Кроме того, отсутствие контакта и активного трения между рабочими поверхностями позволяет наносить на них тонкие слои с узконаправленными свойствами, которые практически не будут изнашиваться (хромировать, оксидировать, алитировать, анодировать, плакировать, имплантировать атомы различных металлов и т.д), что позволяет использовать компрессор для сжатия практически любых, в т.ч. и агрессивных к обычным материалам, газов.

Формула изобретения

1. Роторный компрессор, содержащий цилиндрическую рабочую полость с размещенным в ней с эксцентриситетом ротором, всасывающее окно, нагнетательный клапан и разделительный элемент, выполненный в виде валика с цилиндрической поверхностью, параллельной оси вращения ротора, и установленный во вспомогательной полости, отличающийся тем, что валик жестко закреплен на роторе с возможностью совершения с ним совместного кругового орбитального движения, при этом ротор с валиком установлены с зазором относительно цилиндрических поверхностей рабочей полости и вспомогательной полости соответственно.

2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что диаметр валика меньше диаметра ротора.

3. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что валик выполнен в виде кольца с внутренним диаметром, большим диаметра ротора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12