Роторно-поршневая машина

Машина предназначена для использования в качестве компрессора, двигателя, насоса или детандера. Машина содержит корпус, крышку, по крайней мере, две пары планшайб, снабженных в каждой паре одна выступом, а другая - впадиной, входящими друг в друга с образованием замкнутых полостей, причем оси вращения планшайб смещены в одну сторону относительно оси вращения вала привода на одинаковую величину; каждая пара планшайб шарнирно соединена с одной из полумуфт, повернутых в окружном направлении относительно друг друга на угол 90° и скрепленных между собой и с валом привода. Изобретение обеспечивает повышение надежности и ресурса машины за счет уравновешивания моментов тангенциальных сил инерции и достижение высокой равномерности вращения вала. 5 ил.

 

Изобретение относится к энергетическим машинам и может быть использовано в качестве компрессоров, насосов, насос-компрессоров, двигателей и расширительных машин.

Известна роторно-поршневая машина Алеши (RU пат. №2125163, МПК⁷ F 01 В 13/06, F 04 В 1/22 опубл. 20.01.99 г.), содержащая корпус, крышку, подшипники, блок цилиндров с радиально расположенными цилиндрами, две планшайбы, оси вращения которых смещены относительно оси вращения блока цилиндров, оппозитные поршни равных масс и равноудаленных от центра вращения, каждый из которых шарнирно соединен в центре его массы пальцем с блоком цилиндров и одной из планшайб.

В этой роторно-поршневой машине вследствие оппозитного расположения поршней с равноудаленностью от центра вращения блока цилиндров, приводящей к увеличению габаритов и массе машины при заданной производительности, получают низкое значение коэффициента объемного использования машины.

Известна роторно-поршневая машина (заявка №2002121789/06 (022652) от 07.08.2002 г., решение о выдаче патента на изобретение от 08.01.2004 г., МПК⁷ F 01 В 13/06, F 04 B 1/22, содержащая корпус, крышку, подшипники, две планшайбы, образующие пару и снабженные одна выступом, а другая - впадиной, которые входят друг в друга, образуя замкнутые полости, пальцы с оппозитными поршнями равных масс и равноудаленных от центра вращения, шарнирно установленные в отверстиях полумуфты, а оси вращения планшайб смещены в одну сторону относительно оси вращения вала привода.

Данная роторно-поршневая машина наиболее близка к предлагаемой.

Недостатком этой роторно-поршневой машины является понижение ее надежности и ресурса при работе на высоких частотах вращения вследствие значительного повышения величин переменных моментов тангенциальных составляющих инерционных сил планшайб при их неравномерном вращении.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей машины, повышение ее надежности и ресурса при работе в диапазоне как низких, так и высоких частот вращения.

Для достижения указанного технического результата в роторно-поршневой машине, содержащей корпус, крышку, подшипники, две планшайбы, образующие пару и снабженные одна выступом, другая - впадиной, которые входят друг в друга, образуя замкнутые полости, а оси вращения планшайб смещены в одну сторону относительно оси вращения вала привода, пальцы с оппозитными поршнями равных масс и равноудаленных от центра вращения, шарнирно установленные в отверстиях полумуфты, согласно изобретению, машина дополнительно снабжена, по крайней мере, одной парой планшайб, а каждая пара планшайб соединена шарнирно с одной из полумуфт, повернутых в окружном направлении относительно друг друга на угол 90° и закрепленных между собой и с валом привода, при этом оси вращения планшайб смещены относительно оси вращения вала привода на одинаковую величину.

Отличительными признаками предлагаемой роторно-поршневой машины от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, является наличие дополнительной по крайней мере одной пары планшайб, а каждая пара планшайб соединена шарнирно с одной из полумуфт, повернутых в окружном направлении относительно друг друга на угол 90° и закрепленных между собой и с валом привода, при этом оси вращения планшайб смещены относительно оси вращения вала привода на одинаковую величину.

Благодаря наличию этих признаков была достигнута динамическая сбалансированность выходных звеньев машины, уравновешенность радиальных и осевых составляющих газовых сил, уравновешенность моментов сил инерции, что позволило создать роторно-поршневую машину с симметричными газовыми и инерционными силами и моментами, позволяющими работать в диапазоне как низких, так и высоких частот вращения с заданными показателями надежности и ресурса.

Предлагаемая роторно-поршневая машина может конкурировать по массогабаритным параметрам, коэффициенту полезного действия, надежности, ресурсу, быстроходности и технологичности с другими типами роторных машин объемного сжатия, например с винтовыми и спиральными компрессорами, а также с поршневыми компрессорами.

Предлагаемая роторно-поршневая машина иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2, 3, 4, 5.

На фиг.1 показан продольный разрез роторно-поршневой машины по линии А-А на фиг.2;

На фиг.2 - разрез Б-Б, на фиг.1;

На фиг.3 - разрез В-В на фиг.1;.

На фиг.4 - разрез Г-Г на фиг.1;

На фиг.5 показаны графики изменения моментов тангенциальных составляющих сил инерции планшайб ±Mj, приведенных к оси вращения вала привода, в зависимости от его угла поворота ϕ.

Роторно-поршневая машина содержит корпус 1 (фиг.1),крышки 2 и 3, проставки 4 и 5, содержащие соответственно подшипники 6 и 7, полумуфты 8 и 9, соединенные между собой через втулку 10 и с валом привода 11, две пары планшайб, одна из которых состоит из наружной планшайбы 12 (фиг.1, 2) и внутренней планшайбы 13, установленных одна в другой соосно с помощью подшипника 14 (фиг.1), с образованием между выступами и впадинами замкнутых полостей 15, 16, 17 и 18 (фиг.3), а вторая пара состоит аналогично первой паре из наружной планшайбы 19 (фиг.1, 4) и внутренней планшайбы 20, также установленных соосно с помощью подшипника 21 (фиг.1), с образованием замкнутых полостей 22, 23, 24 и 25 (фиг.4).

Первая пара планшайб 12 и 13 (фиг.1) установлена в подшипнике 6 проставка 4 и соединена шарнирно с помощью пальцев 26 и 27, установленных в отверстиях полумуфты 8, и оппозитных поршней 28 и 29, которые расположены в пазу 30 кронштейна 32 наружной планшайбы 12 и в пазу 31 кронштейна 33 внутренней планшайбы 13.

Вторая пара планшайб 19 и 20 аналогично первой паре установлена в подшипнике 7 проставка 5 и соединена также шарнирно с помощью пальцев 34 и 35 (фиг.2), установленных в отверстиях полумуфты 9 (фиг.1) и с оппозитных поршней 36 и 37 (фиг.2), которые также расположены в пазах 38 и 39 соответственно кронштейна 40 наружной планшайбы 19 (фиг.1) и кронштейна 41 внутренней планшайбы 20 (фиг.1).

Полумуфты 8 и 9 повернуты в окружном направлении относительно друг друга на угол 90°. Оси вращения планшайб 12, 13 и 19, 20 смещены относительно оси вращения вала привода 11 на одинаковую величину эксцентриситета "е".

Вал привода 11 установлен на выходном конце в подшипнике 42 (фиг.1).

Для герметизации масляных полостей установлены уплотнения 43, 44, 45 - на первой паре планшайб и уплотнения 46, 47, 48 - на второй паре планшайб.

Для подачи газа к обеим парам планшайб в крышках 2 и 3 имеются входные отверстия 49 и 50.

Газораспределительные органы на чертежах не показаны и могут быть выполненными как в теле выступов, так и в виде газораспределительных дисков, прилегающих к наружным торцовым поверхностям наружных планшайб 12 и 19 и закрепленных на валу привода 11.

Роторно-поршневая машина работает следующим образом.

Вал привода 11 (фиг.1, 2) совместно с полумуфтами 8 и 9, пальцами 26, 27, 34 и 35, поршнями 28, 29, 36 и 37 вращаются с постоянной угловой скоростью ω₁ вокруг оси O₁. Крутящий момент от вала привода 11 передается первой паре планшайб 12 и 13 (фиг.1) через полумуфту 8, установленные в ее отверстиях шарнирно, пальцы 26, 27 и поршни 28, 29, а также второй паре планшайб 19 и 20 через полумуфту 9 (фиг.1), установленные в ее отверстиях шарнирно пальцы 34, 35 и поршни 36, 37 (фиг.2). При вращении вала привода 11 каждый поршень 28, 29, 36 и 37 (фиг.1, 2) совершают относительное перемещение в радиальном направлении соответственно в пазах 30 и 31 (фиг.1), выполненных в кронштейнах 32 и 33 планшайб 12 и 13 первой пары, а также в пазах 38 и 39 (фиг.2), выполненных в кронштейнах 40 и 41 планшайб 19 и 20 второй пары.

Радиальное перемещение поршней 28, 29, и 36, 37 (фиг.1, 2) соответственно в пазах 30, 31 и 38, 39 происходит благодаря тому, что оси вращения планшайб 12, 13, 19 и 20 смещены относительно оси вращения вала привода 11. В связи с тем, что смещение осей вращения обеих пар планшайб выполнено на одинаковую величину, равную величине эксцентриситета "е", перемещение каждого поршня в пазах в течение одного оборота происходит на одинаковую величину, равную "2е". В результате такого движения выступы внутренних планшайб 13 первой пары и 20 второй пары (фиг.3, 4) при вращении совершают одинаковое угловое перемещение во впадинах соответственно наружных планшайб 12 первой пары (фиг.1) и 19 второй пары из одного крайнего положения в другое дважды в течение одного оборота. При этом изменяются объемы замкнутых полостей 15, 16, 17 и 18 в первой паре планшайб (фиг.9), а также полостей 22, 23, 24 и 25 во второй паре планшайб (фиг.4).

Каждая планшайба 12, 13 первой пары (фиг.1) и 19, 20 второй пары в течение одного оборота вращается вокруг О₂ с переменными угловыми скоростями ω_н и ω_в и знакопеременными угловыми ускорениями.

Возникающие при этом моменты тангенциальных сил инерции, действующие на наружную планшайбу 12, Mj_Н (фиг.5) и на внутреннюю планшайбу 13, Mj_В в первой паре, имеют в зависимости от угла поворота вала привода 11 противоположные знаки и неравны по абсолютным величинам, при каждом значении угла поворота вала привода ϕ.

Результирующий момент тангенциальных сил инерции ΔMj₁, действующий на планшайбы 12 и 13 (фиг.3) первой пары, приведенный к валу привода 11, в зависимости от его угла поворота ϕ (фиг.5) имеет знакопеременный колебательный характер с прохождением нулевых значений через каждые ориентировочно 90° поворота вала привода 11.

Результирующий момент тангенциальных сил инерции ΔMj₂, действующий на планшайбы 19 и 20 (фиг.4) второй пары, имеет аналогичный характер. Благодаря тому, что характер изменения моментов сил инерции каждой пары планшайб в течение одного оборота одинаков, а две пары планшайб соединены каждая с одной из полумуфт повернутых в окружном направлении относительно друг друга на угол 90°, колебания моментов инерционных сил ΔMj₁ и ΔMj₂ совпадают по фазе, а их абсолютные значения равны между собой при каждом положении вала привода 11 в течение одного оборота. Это позволяет максимально уравновесить моменты тангенциальных сил инерции при приведении их к валу привода 11.

Возможные остаточные неуравновешенные значения моментов сил инерции уравновешиваются за счет маховых моментов, создаваемых массами полумуфт 8 и 9, то есть без введения в конструкцию специального маховика.

Предлагаемая роторно-поршневая машина может быть выполнена, например, в качестве компрессора, в которой пары планшайб могут работать как параллельные ступени при одноступенчатом сжатии газа, так и в исполнении последовательного многоступенчатого сжатия газа.

Возможно применение вместо пальцевого соединения других видов шарнирного соединения полумуфты с планшайбами, например сферических шарниров.

Возможно также выполнения пазов не только в кронштейнах планшайб, но и в теле полумуфт.

Таким образом, предлагаемая роторно-поршневая машина при сохранении основных качеств прототипа, а именно симметричности действия осевых, радиальных и тангенциальных составляющих газовых инерционных сил и моментов позволяет ввести новое качество - уравновешивание моментов тангенциальных сил инерции, возникающих в результате вращения планшайб с переменными угловыми скоростями и ускорениями в течение одного оборота.

Это даст возможность создать уравновешенную роторно-поршневую машину с повышенными частотами вращения вала привода и планшайб, с сохранением высоких показателей надежности и ресурса, расширив таким образом ее функциональные возможности.

Роторно-поршневая машина, содержащая корпус, крышку, подшипники, две планшайбы, образующие пару и снабженные одна выступом, другая - впадиной, которые входят друг в друга, образуя замкнутые полости, а оси вращения планшайб смещены в одну сторону относительно оси вращения вала привода, пальцы с оппозитными поршнями равных масс и равноудаленных от центра вращения шарнирно установлены в отверстиях полумуфты, отличающаяся тем, что машина дополнительно снабжена, по крайней мере, одной парой планшайб, а каждая пара планшайб соединена шарнирно с одной из полумуфт, повернутых в окружном направлении относительно друг друга на угол 90° и закрепленных между собой и с валом привода, при этом оси вращения планшайб смещены относительно оси вращения вала привода на одинаковую величину.