Спиральная машина

Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано в спиральных машинах, в особенности спиральных компрессорах "сухого" сжатия. Спиральная машина содержит корпус со всасывающим и нагнетательным отверстиями, расположенные в корпусе неподвижный спиральный элемент, находящийся в зацеплении с подвижным спиральным элементом, установленным на эксцентриковом валу и имеющим возможность совершать орбитальное движение с эксцентриситетом относительно неподвижного спирального элемента с образованием замкнутых полостей сжатия, и противоповоротное устройство, имеющее, по меньшей мере, один поводок, размещенный в отверстии подвижного спирального элемента. Подвижный спиральный элемент выполнен без основания с возможностью исключения воздействия на него осевой силы при сжатии газа. В неподвижном спиральном элементе выполнены сквозные отверстия. В корпусе выполнены отверстия, совпадающие со сквозными отверстиями неподвижного спирального элемента с образованием сквозных каналов для прохождения охлаждающего воздуха. Такая конструкция позволяет упростить конструкцию, повысить эффективность охлаждения, повысить надежность и долговечность, повысить энергетические характеристики спиральной машины. 6 з.п.ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано в спиральных машинах, в особенности спиральных компрессорах «сухого» сжатия, где необходимо решать проблемы компенсации осевых газовых сил, уменьшения тепловых нагрузок элементов конструкции, улучшения энергетических характеристик.

Известен спиральный компрессор, имеющий с обеих сторон наружные спиральные элементы с оребренными основаниями и средний подвижный спиральный элемент с двухсторонним расположением спиралей, позволяющим компенсировать осевые газовые силы. Конструктивно подвижный спиральный элемент состоит из выполненных заодно основания с расположенными на стороне всасывания бобышками для опорного подшипника противоповоротного устройства, с целью уменьшения на них тепловых нагрузок, и повернутых относительно друг друга на 180° спиралей. В основании подвижной спирали выполнены охлаждающие отверстия, которые проходят от наружной поверхности кромки с одной стороны основания до наружной поверхности кромки с другой стороны основания, через которые при движении подвижного спирального элемента перемещается часть воздуха, всасываемого в компрессор, снимая тепловую нагрузку с подвижного спирального элемента (JP2985705 В2, кл. F 04 C 18/02, 1995).

Недостатком известного технического решения является затруднение при балансировке, близкой в этой схеме к балансировке коленчатого вала в поршневом компрессоре, тем самым теряется одно из основных преимуществ спирального компрессора.

Кроме того, для компенсации осевых газовых сил необходимо применять схему с двусторонним расположением спиралей при малых производительностях спирального компрессора, что усложняет конструкцию спирального компрессора и повышает стоимость его изготовления.

Известен спиральный компрессор, имеющий с обеих сторон наружные неподвижные спиральные элементы и средний подвижный спиральный элемент с двусторонним расположением спиралей для компенсации осевых газовых сил (DE 19528070 A1, кл. F 04 C 18/04, 1997). Конструктивно подвижный спиральный элемент состоит из двух повернутых друг относительно друга на 180° и раздвинутых на величину корпуса опорного подшипника спиралей, жестко соединенных перемычками, охлаждающими ребрами и корпусом опорного подшипника с образованием полости охлаждения между основаниями двух спиралей и оребренной поверхностью опорного подшипника. Охлаждающий воздух от вентилятора поступает в полость охлаждения и, двигаясь вдоль ребер охлаждения спиральных элементов оребренной поверхности корпуса подшипника и гладких поверхностей оснований спиралей, снимает тепловую нагрузку с рабочих элементов спирального компрессора и таким образом снижает температуру сжатия газа в результате теплообмена охлаждающего газа с основаниями подвижного спирального элемента, а также снимает тепловую нагрузку с опорного подшипника в результате теплообмена охлаждающего воздуха с оребренной поверхностью корпуса опорного подшипника.

Недостатком известного технического решения является необходимость выполнения определенных конструктивных мероприятий для обеспечения необходимой степени сжатия (при двусторонней установке витки спиралей не могут быть доведены до центра, так как там находится коренной подшипник или шейка вала), которые приводят к усложнению конструкции, кроме этого для компенсации осевых газовых сил также необходимо применять схему с двусторонним расположением спиралей при малых производительностях компрессора.

Наиболее близким к предложенному является спиральная машина, содержащая корпус, одна часть которого выполнена заодно с неподвижной спиралью, находящейся в зацеплении с подвижной спиралью, размещенной в корпусе и имеющей основание, связанное с эксцентриковым валом и поводком противоповоротного устройства через подшипники (US 4 300 875, 17.11.1981). Подвижный спиральный элемент совершает орбитальное движение с эксцентриситетом относительно неподвижного спирального элемента с образованием замкнутых полостей сжатия. В известной машине устранена двусторонняя схема расположения спиральных элементов, однако необходимость установки подвижного спирального элемента на подшипниках приводит к механическим потерям энергии, выделению тепла в узлах трения, какими являются подшипники.

Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение конструкции, повышение эффективности охлаждения, повышение надежности и долговечности, повышение энергетических характеристик спиральной машины за счет исключения необходимости установки подвижного спирального элемента на подшипниках и выполнения сквозных охлаждающих отверстий в неподвижном спиральном элементе.

Технический результат достигается тем, что в спиральной машине, содержащей корпус со всасывающим и нагнетательным отверстиями, расположенные в корпусе неподвижный спиральный элемент, находящийся в зацеплении с подвижным спиральным элементом, установленным на эксцентричном валу и имеющим возможность совершать орбитальное движение с эксцентриситетом относительно неподвижного спирального элемента с образованием замкнутых полостей сжатия, и противоповоротное устройство, имеющее, по меньшей мере, один поводок, размещенный в отверстии подвижного спирального элемента, согласно изобретению, подвижный спиральный элемент выполнен без основания с возможностью исключения воздействия на него осевой силы при сжатии газа в замкнутых полостях, в неподвижном спиральном элементе выполнены сквозные охлаждающие отверстия, а в корпусе также выполнены отверстия, совпадающие со сквозными отверстиями неподвижного спирального элемента с образованием сквозных каналов для прохождения охлаждающего воздуха.

В одном варианте выполнения подвижный спиральный элемент может иметь приводной хвостовик, соединенный с эксцентриковым валом.

В другом варианте эксцентриковый вал может быть расположен в сквозном отверстии, выполненном в центральной части подвижного спирального элемента, и соединен ременной передачей с поводком с возможностью выполнения функции другого поводка.

В третьем варианте выполнения эксцентриковый вал может быть размещен в отверстии, выполненном в периферийной части подвижного спирального элемента с возможностью выполнения функции поводка.

В частных вариантах изобретения корпус может быть выполнен с рубашкой для охлаждающей жидкости.

Кроме того, отверстия в неподвижном спиральном элементе могут быть равномерно расположены по углу закручивания, при этом в указанные отверстия могут быть помещены турбулизирующие вставки или насадки.

Сущность предложения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 представлено поперечное сечение спиральной машины,

на фиг.2 показан вариант исполнения спиральной машины, привод подвижного спирального элемента которой осуществляется эксцентриковым валом, проходящим через центральную часть подвижного спирального элемента,

на фиг.3 показан вариант исполнения спиральной машины, привод подвижного спирального элемента которой осуществляется за один из поводков противоповоротного устройства,

на фиг.4 показан вариант исполнения спиральной машины, верхняя и нижняя части корпуса которой снабжены рубашкой охлаждения,

на фиг.5 показано сечение А-А на фиг. 1 при угле поворота = 0°, 360° подвижного спирального элемента,

на фиг. 6 - при угле поворота = 90°,

на фиг.7 - при угле поворота = 180°,

на фиг.8 - при угле поворота = 270°.

Спиральная машина, показанная на фиг.1, содержит корпус 1 с наружными ребрами, всасывающим отверстием 2, нагнетательным отверстием 3. Неподвижный спиральный элемент 4, выполненный заодно с верхней частью корпуса 1 и имеющий сквозные отверстия 13, размещенные равномерно по углу закручивания спирали, находится в зацеплении с подвижным спиральным элементом 5, не имеющим основания, совершающим орбитальное движение с эксцентриситетом «е» относительно неподвижного спирального элемента 4 благодаря поводковому противоповоротному устройству 10, эксцентриковая часть которого размещена в отверстиях подвижной спирали, при этом между их поверхностями при движении друг относительно друга образуется две замкнутые полости 11 и 12 (фиг. 5 - 8), объем которых при движении элемента 5 уменьшается, вследствие чего происходит сжатие газа, поступившего на всасывание 2 спиральной машины, и вытеснение его на нагнетании 3.

Подвижный спиральный элемент 5, имеющий приводной хвостовик 15 в центре, не может вращаться вокруг своей оси, а совершает только орбитальное движение по окружности с эксцентриситетом, равным эксцентриситету «е» эксцентрикового вала 7, расположенного в подшипниковых опорах 6. Привод осуществляется от электродвигателя 9. В нижней части корпуса 1 выполнены отверстия, совпадающие со сквозными отверстиями 13 неподвижного элемента 4, которые образуют сквозные каналы для прохождения охлаждающего воздуха, циркуляция которого обеспечивается колесом вентилятора 8.

Особенностью спиральной машины по фиг.2 является то, что в подвижном спиральном элементе 5 в центральной части выполнено сквозное отверстие для коренного подшипника эксцентрикового вала 7, который выполняет функцию одного из двух поводков противоповоротного устройства. Поводки соединены между собой зубчатым ремнем 14.

В конструкции спирального компрессора по фиг.3 привод подвижного спирального элемента 5 осуществляется за один из трех поводков противоповоротного устройства 10, который выполняет функцию эксцентрикового вала 7.

В конструкции спирального компрессора по фиг.4 верхняя и нижняя части корпуса 1 выполнены с рубашкой охлаждения, по которой циркулирует охлаждающая жидкость в направлении, указанном на фигуре стрелками.

Спиральная машина работает следующим образом. Газовая среда подводится к всасывающему отверстию 2 спиральной машины, при орбитальном движении подвижного спирального элемента 5 относительно неподвижного спирального элемента 4 с эксцентриситетом «е» благодаря наличию эксцентрикового вала 7 на подшипниковых опорах 6, противоповоротного устройства 10, предотвращающего вращение спиральных элементов 4 и 5 друг относительно друга, образуются замкнутые полости, перемещение газа со стороны всасывания к стороне нагнетания, сжатие происходит благодаря уменьшению объемов замкнутых полостей 11 и 12. В определенный момент, определяемый необходимыми параметрами рабочего процесса, происходит соединение замкнутых полостей друг с другом и нагнетательным отверстием 3 и вытеснение сжимаемой среды в нагнетательное отверстие 3.

При сжатии газа происходит повышение температуры от температуры всасывания до температуры нагнетания, по законам теплообмена теплота распространяется на элементы спиральной машины, в том числе на рабочие спиральные элементы 4, 5, вызывая температурные деформации, на подшипниковые опоры 6 скольжения, которые сами по себе являются источниками тепла, и работоспособность их определяется определенным температурным режимом, зависящим от режима работы спиральной машины. Тепловая нагрузка с элементов спиральной машины в процессе работы снимается потоком циркулирующего воздуха, который обеспечивается вращающимся колесом вентилятора 8, через сквозные отверстия 13, расположенные в непосредственной близости к камерам сжатия спиральной машины.

При сжатии газа возникает осевая сила, которая отжимает неподвижный спиральный элемент 4, выполненный заодно с верхней частью корпуса 1 с одной стороны и нижнюю часть корпус 1 с другой стороны, не воздействуя на подвижный спиральный элемент 5, следовательно, необходимость в упорном подшипнике отпадает.

Выполнение корпуса 1 с рубашкой охлаждения и применение жидкого теплоносителя позволяет уменьшить площадь охлаждения и тем самым сократить радиальные габариты спиральной машины. Размещение в сквозных охлаждающих отверстиях 13 турбулизирующих вставок или насадок (не показаны) позволяет турбулизировать поток и интенсифицировать теплоотдачу.

Такая конструкция позволяет повысить эффективность охлаждения элементов спиральной машины, повысить надежность и долговечность. При такой конструкции спиральных элементов отпадает необходимость в установке упорного подшипника, либо двусторонней спирали, что упрощает конструкцию, повышает энергетические характеристики спиральной машины, кроме этого для любых из схем (фиг.1, 2, 3) обеспечивается расчетная геометрическая степень сжатия, т.к. спиральные витки могут быть доведены до центра за счет толщины концевика подвижного спирального элемента, которая обеспечивает установку коренного подшипника.

1. Спиральная машина, содержащая корпус со всасывающим и нагнетательным отверстиями, расположенные в корпусе неподвижный спиральный элемент, находящийся в зацеплении с подвижным спиральным элементом, установленным на эксцентриковом валу и имеющим возможность совершать орбитальное движение с эксцентриситетом относительно неподвижного спирального элемента с образованием замкнутых полостей сжатия, и противоповоротное устройство, имеющее, по меньшей мере, один поводок, размещенный в отверстии подвижного спирального элемента, отличающаяся тем, что подвижный спиральный элемент выполнен без основания с возможностью исключения воздействия на него осевой силы при сжатии газа, в неподвижном спиральном элементе выполнены сквозные отверстия, а в корпусе выполнены отверстия, совпадающие со сквозными отверстиями неподвижного спирального элемента с образованием сквозных каналов для прохождения охлаждающего воздуха.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что подвижный спиральный элемент имеет приводной хвостовик, соединенный с эксцентриковым валом.

3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что эксцентриковый вал расположен в сквозном отверстии, выполненном в центральной части подвижного спирального элемента, и соединен ременной передачей с поводком с возможностью выполнения функции другого поводка.

4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что эксцентриковый вал размещен в отверстии, выполненном в периферийной части подвижного спирального элемента с возможностью выполнения функции поводка.

5. Машина по п.1, отличающаяся тем, что в сквозных охлаждающих отверстиях неподвижного спирального элемента размещены турбулизирующие вставки или насадки.

6. Машина по п.1, отличающаяся тем, что сквозные охлаждающие отверстия в неподвижном спиральном элементе равномернорасположены по углу закручивания.

7. Машина по п.1, отличающаяся тем, что корпус выполнен с рубашкой для охлаждающей жидкости.