Ротор компрессора

Группа изобретений относится к роторам, более конкретно к роторам компрессоров, работающих в условиях вакуума, и обеспечивает при её использовании возможность изменения своих размеров при вращении лопастного колеса вследствие центробежных сил и тепловых эффектов, вызванных его вращением. Указанный технический результат достигается в роторе, выполненном с возможностью установки на него множества лопаток с образованием лопастного колеса, обладающего возможностью вращения вокруг главной оси ротора. Каждая из лопаток имеет установочный участок. Ротор содержит основные пазы и вспомогательные пазы, при этом каждый основной паз выполнен с возможностью приема установочного участка лопатки. Основные и вспомогательные пазы выполнены с возможностью изменения своих размеров при вращении лопастного колеса вследствие центробежных сил и тепловых эффектов, вызванных его вращением. Изменение размеров обеспечивает оказание давления на установочный участок лопатки с целью удержания ее внутри основного паза. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к роторам, более конкретно к роторам компрессоров, работающих в условиях вакуума.

Уровень техники

Примеры вакуум-компрессоров и применяемых в них роторов того типа, к которому относится настоящее изобретение, раскрыты в патентах US 5520008 и US 7013669, обладателем которых является заявитель по настоящей заявке.

Раскрытие изобретения

Согласно настоящему изобретению предлагается осесимметричный ротор, выполненный с возможностью соединения с лопатками и несущим валом, предназначенный для использования в качестве узла компрессора, работающего в условиях вакуума, при этом обеспечено вращение указанного ротора при помощи указанного вала.

Согласно одному из аспектов настоящего изобретения ротор выполнен с возможностью установки на него множества лопаток с образованием лопастного колеса, обладающего возможностью вращения вокруг главной оси ротора, при этом каждая лопатка из указанного множества лопаток имеет установочный участок; причем указанный ротор содержит основные пазы и вспомогательные пазы, где каждый основной паз выполнен с возможностью приема установочного участка одной из указанных лопаток и указанные основные и вспомогательные пазы выполнены с возможностью изменения своих размеров при вращении указанного лопастного колеса вследствие центробежных сил и тепловых эффектов, возникающих в результате вращения, и тем самым с возможностью оказания давления на установочный участок при размещении указанного установочного участка в основном пазу с целью удержания лопатки в основном пазу.

Кроме того, ротор может содержать верхнюю вставку и нижнюю вставку, выполненные с возможностью приема выступов установочного участка указанной лопатки с целью лучшего удержания лопатки в основном пазу. Также ротор может быть выполнен с возможностью установки на нем сердечника, который может иметь гиперболическую форму, способствующую лучшему протеканию воздуха через лопастное колесо при вращении. В этой связи сердечник может быть установлен таким образом, чтобы способствовать удержанию лопаток в основных пазах, когда указанный сердечник установлен на роторе.

Вспомогательные пазы могут быть расположены по каждую сторону от указанного основного паза и отделены от него некоторым расстоянием, так что с каждым основным пазом соотнесены левый вспомогательный паз и правый вспомогательный паз. Каждый из вспомогательных пазов может иметь протяженность L от внешней границы указанного ротора по направлению к главной оси, причем данная протяженность больше, чем протяженность I соответствующего основного паза от внешней границы указанного ротора по направлению к главной оси (L>I), а также может иметь меньшую ширину, нежели чем указанный основной паз.

Количество указанных вспомогательных пазов может варьироваться в зависимости от концентрации основных пазов на участке ротора, а также от размера указанных основных пазов. Таким образом, например, для расположения, при котором основные пазы расположены вокруг главной оси редко, между каждыми двумя соседними основными пазами могут быть образованы два вспомогательных паза, так что один вспомогательный паз может служить в качестве правого вспомогательного паза для одного основного паза, а другой вспомогательный паз может служить в качестве левого вспомогательного паза для другого основного паза. Когда ротор плотно заполнен основными пазами, то между каждыми двумя соседними основными пазами может быть образован единственный вспомогательный паз, так что при этом один и тот же вспомогательный паз служит как в качестве левого вспомогательного паза для одного основного паза, так и в качестве правого вспомогательного паза для другого основного паза.

Лопатки указанного лопастного колеса могут быть изготовлены из композитного материала, позволяющего придавать лопатке разнообразные формы, в том числе криволинейные пространственные формы. Криволинейная форма указанных лопаток может быть разработана так, что когда они помещены в основные пазы указанного ротора, то лопатки образуют пространственные диффузионные каналы между каждыми двумя соседними лопатками, чем устраняется необходимость в соединительных элементах, таких как, например, диафрагмы, предназначенных для формирования указанных диффузионных каналов. Кроме того, установочный участок лопатки может содержать выступы, выполненные с возможностью их приема в роторе для дополнительного закрепления лопатки в основном пазу. Выступы могут иметь различные формы, например прямоугольную.

При эксплуатации при вращении лопастного колеса тело ротора претерпевает увеличение в размерах в результате действия центробежных сил и тепловых эффектов. При таком увеличении размеров ширина основных и вспомогательных пазов должна увеличиваться. Тем не менее вследствие большей протяженности указанных вспомогательных пазов по направлению к главной оси по сравнению с протяженностью указанных основных пазов ширина вспомогательных пазов увеличивается в ущерб увеличению основного паза, что в действительности вызывает уменьшение ширины указанного основного паза и тем самым оказание давления на установочный участок помещенной в указанный основной паз лопатки.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается установочная конструкция для установки на ней неподвижным образом ротора с центральной осью и установочным каналом, включающая в себя ось, снабженную сквозным центральным каналом и конической носовой частью, зажимной болт и несущий вал, снабженный приемным коническим каналом и резьбовым установочным отверстием, при этом указанная коническая носовая часть выполнена с возможностью посадки в указанный приемный конический канал, указанная ось выполнена с возможностью приема в ее центральном отверстии указанного зажимного болта с подлежащего ввинчиванию в установочное отверстие указанного несущего вала, при этом указанная коническая носовая часть неподвижно прижата к указанному несущему валу, а указанный ротор может быть установлен на несущем валу даже после установки на ротор лопаток с образованием лопастного колеса.

Ротор может быть установлен на оси с посадкой с натягом для того, чтобы обеспечить пригонку ротора к указанной оси даже во время вращения с высокими скоростями во всем диапазоне рабочих температур. Такая посадка с натягом может быть реализована путем нагрева и охлаждения тела ротора и в конечном итоге может предотвратить ослабление захвата оси ротором при тепловом расширении ротора, возникающем в результате вращения лопастного колеса.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предлагается лопастное колесо, содержащее ротор согласно предыдущему аспекту настоящего изобретения и множество лопаток, которые могут удерживаться в указанных основных пазах посредством любых подходящих дополнительных средств, таких как, например, адгезивный материал.

Следует отметить, что главное назначение упомянутого выше адгезивного материала состоит в том, чтобы удерживать лопатки в лопастном колесе тогда, когда лопастное колесо находится в состоянии покоя, т.е. не вращается, но не для того, чтобы удерживать лопатку в основном пазу во время вращения указанного лопастного колеса, т.е. в качестве замены обычной болтовой захватной конструкции.

Согласно следующему аспекту настоящего изобретения предлагается установочная конструкция для установки на ней указанного выше лопастного колеса, включающая в себя ось, снабженную сквозным центральным каналом и конической носовой частью, и несущий вал, снабженный приемным коническим каналом и резьбовым установочным отверстием, при этом указанная коническая носовая часть выполнена с возможностью посадки в указанный приемный конический канал, а указанная ось выполнена с возможностью приема в ее центральном отверстии зажимного болта, подлежащего ввинчиванию в установочное отверстие указанного несущего вала, при этом указанная носовая часть неподвижно прижата к несущему валу, а лопастное колесо может быть установлено на несущем валу.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предлагается компрессор, выполненный с возможностью работы в сочетании с описанным выше лопастным колесом, при этом указанный компрессор содержит указанное лопастное колесо, указанную установочную конструкцию и приводной двигатель.

Краткое описание чертежей

С целью понимания изобретения и объяснения того, как оно может быть осуществлено на практике, далее приводятся описания вариантов осуществления изобретения в качестве примеров, не налагающих каких-либо ограничений, со ссылками на сопровождающие чертежи.

Фиг.1А представляет собой изометрический вид участка лопастного колеса в соответствии с одним из примеров настоящего изобретения со вставленными в него двумя лопатками.

Фиг.1В представляет собой другой изометрический вид лопастного колеса, показанного на фиг.1А.

Фиг.1C изображает вид в разрезе, сделанном вдоль главной оси лопастного колеса, показанного на фиг.1А и 1В.

Фиг.1D изображает вид в разрезе лопастного колеса, показанного на фиг.1А, сделанный перпендикулярно главной оси.

Фиг.1Е представляет собой увеличенный вид фрагмента «А» лопастного колеса, показанного на фиг.1С.

Фиг.1F представляет собой увеличенный вид части лопастного колеса, показанного на фиг.1C.

Фиг.2А представляет собой изометрический вид спереди лопатки, используемой в лопастном колесе, показанном на фиг.1А.

Фиг.2В представляет собой изометрический вид снизу лопатки, показанной на фиг.2А.

Фиг.3 представляет собой изометрический вид участка ротора лопастного колеса, показанного на фиг.1А.

Фиг.4 представляет собой схематическое изображение части ротора лопастного колеса, показанного на фиг.1А, находящегося в состоянии покоя, а также при эксплуатации.

Фиг.5 представляет собой схематическое изображение части компрессора, в котором установлено показанное на фиг.1А лопастное колесо.

Фиг.6 представляет собой схематическое изображение компрессора в частичном разрезе, содержащего показанное на фиг.1А лопастное колесо.

Осуществление изобретения

На фиг.1A-1F показано лопастное колесо, в целом обозначенное как 10, содержащее ротор 20 с главной осью Х-Х и множество установленных на роторе лопаток 30.

При рассмотрении фиг.2А и 2В видно, что лопатка 30 имеет установочный участок 32 и рабочий участок 34. Лопатка 30 выполнена с возможностью установки в ротор 20 и с возможностью удержания в нем своим установочным участком 32. Кроме того, установочный участок 32 содержит прямоугольный выступ 36, выполненный с возможностью дополнительного захвата установочного участка 32 ротором 20. Лопатка 30 изготовлена из композитного материала, что позволяет придавать криволинейную форму рабочему участку 34 лопатки и одновременно с этим позволяет лопатке оставаться по существу легкой и износостойкой. Криволинейная форма лопатки 30 сделана такой, что каждые две соседние лопатки 30 образуют между собой пространственный диффузионный канал (как это можно видеть на фиг.1А и 1В). Образование диффузионных каналов устраняет необходимость в соединителях между лопатками, например в соединительной диафрагме, как в решениях, приведенных в разделе «Уровень техники».

Возвращаясь к фиг.1А и 1В, а также рассматривая фиг.3, видно, что ротор 20 имеет тело 22 в форме гиперболоида, в котором образован ряд основных пазов 24, расположенных на равных расстояниях вокруг оси Х-Х, и ряд вспомогательных пазов 26, образованных по каждую сторону от каждого основного паза 24 и отделенных от него некоторым расстоянием. Каждый основной паз 24 выполнен с возможностью приема установочного участка 32 компрессорной лопатки 30 (показано на фиг.2А и 2В). Вспомогательные пазы 26 выполнены несколько более узкими и более глубокими, чем основные пазы 24, с целями, которые разъяснены подробно далее.

Обращаясь также к фиг.1C, видно, что лопатки 30 устанавливаются в основные пазы 24 с образованием лопастного колеса 10 и могут удерживаться на месте путем использования адгезивного материала (показано на фиг.1Е). С целью обеспечения дополнительного средства крепления для установки лопаток 30 на тело 22 ротора 20, установочный участок 32 лопатки 30 удерживается в основном пазу 24 сверху и снизу соответственно соединителями 28а и 28b (см. также фиг.5 и 6). Нижний соединитель 28b выполнен с возможностью захвата прямоугольного выступа 36 лопатки 30. Лопастное колесо 10, кроме того, содержит сердечник 29 в форме гиперболоида, установленный на теле 22 ротора. Сердечник 29 также выполнен с возможностью прикладывания давления к верхнему соединителю 28а с целью крепления лопаток 30 внутри основных пазов 24.

Обращаясь к фиг.1Е, видно, что лопатка 30 установлена в основной паз 24 тела 22 ротора. Основные пазы имеют радиальную протяженность l в направлении главной оси Х-Х. Вспомогательные пазы 26 образованы с каждой стороны от каждого основного паза 24 и имеют радиальную протяженность L в направлении главной оси Х-Х, так что L>l. В основной паз 24 помещен адгезивный материал 25 так, что он окружает установочный участок 32 лопатки 30 и тем самым способствует удержанию на месте лопатки 30. Следует отметить, что назначение адгезивного материала 25 состоит главным образом в том, чтобы удерживать лопатку на месте, когда лопастное колесо 10 находится в состоянии покоя, т.е. не вращается, и действие адгезивного материала 25 менее значительно во время вращения лопастного колеса 10.

Обращаясь к фиг.4, показано, что в состоянии покоя радиус наружной границы тела 22 равен r₁, а концевые части 27 и 28 соответственно основного и вспомогательного пазов 24 и 26, расположены на границах с радиусами соответственно r₂ и r₃, что соответствует величинам l и L на фиг.1Е. Разница между радиусами r₂ и r₃ обозначена как Δr. Значения ширины основных пазов 24 и вспомогательных пазов 26 обозначены соответственно M и n.

При эксплуатации во время вращения лопастного колеса 10 происходит увеличение размеров тела 22 ротора (как показано пунктирными линиями) вследствие его расширения, вызванного центробежными силами и тепловыми эффектами, таким образом, что его радиус становится равен R₁, R₁>r₁. Это увеличение размера тела 22 также вызывает увеличение размера границы концевых частей 27 и 28 пазов 24 и 26 соответственно, так что теперь они расположены на радиусах соответственно R₂ и R₃, таких, что R₂>r₂ и R₃>r₃. Таким образом, вспомогательные пазы 26 растягиваются, изменяя свою ширину до ширины N, такой, что M>n. Так как вспомогательные пазы 26 образованы по каждую сторону от основного паза 24, то увеличение ширины от значения n до значения N, следовательно, дает уменьшение ширины М основного паза 24, вследствие давления, прикладываемого к обеим сторонам основного паза 24, за счет чего эта ширина принимает значение m, такое, что m<М. Это сокращение ширины основного паза 24, наряду с ранее упомянутым адгезивным материалом 25, удерживают лопатку 30 прикрепленной к ротору 20. Следует отметить, что во время расширения расстояние Δr остается по существу тем же самым, т.е. Δr_2-3≅ΔR_2-3, вследствие особых соотношений между шириной основного и вспомогательного пазов 24 и 26 и расстояния между ними.

Когда лопастное колесо находится в состоянии покоя, лопатки 30 удерживаются на месте только адгезивным материалом 25. В отличие от известных из уровня техники лопастных колес, когда предлагаемое лопастное колесо находится в движении, уменьшение ширины от М до m обеспечивает сдавливание установочного участка 32 лопатки 30 и фиксирует его на месте. В традиционных роторах, так как в них отсутствуют вспомогательные пазы, то во время вращения ширина М основного паза увеличивается, что вызывает ослабление захвата лопатки. Предотвращение этого обычно требует сложной по исполнению установочной конструкции, содержащей тангенциальные болты, выполненные с возможностью удержания паза при постоянной ширине с целью предотвращения выпадения лопатки из ротора. Настоящее изобретение остроумно избегает этой проблемы, не только устраняя потребность в сложной установочной конструкции, но также в большой степени упрощая выполнение подготовительных операций для тела 22.

В данном конкретном примере между каждыми двумя основными пазами 24 образованы два вспомогательных паза 26. Тем не менее следует понимать, что расположение пазов, показанных на предшествующих чертежах, может варьироваться; например, между двумя соседними лопатками 30 может быть образован только один вспомогательный паз 26. Например, если расстояние между двумя соседними лопатками слишком мало, то создание двух пазов может привести к слишком малому расстоянию между двумя основными пазами, т.е. величиной порядка нескольких сантиметров, и в таком случае требуется использование только одного вспомогательного паза, используемого для двух основных пазов по каждую сторону от него. С другой стороны, если расстояние между двумя лопатками слишком велико, то расстояние между основными пазами может быть слишком велико, т.е. составлять величину порядка десятков сантиметров, требуя применения двух вспомогательных пазов.

Возвращаясь к фиг.1C, видно, что лопастное колесо 10 дополнительно содержит установочную конструкцию 40, расположенную внутри ротора 20 вдоль оси Х-Х, выполненную с целью способствовать установке лопастного колеса 10, т.е. ротора 20 и установленных на нем лопаток 30, на несущий вал 50 с целью образования компрессора 100. Установочная конструкция содержит центральную ось 42, снабженную конической носовой частью 44, соосной с телом 22 ротора, идущей с одной стороны, т.е. сверху. Носовая часть 44 имеет наружную поверхность 44а. Вдоль всей длины оси 42 в направлении оси Х-Х проходит сквозной центральный канал 46, выполненный с возможностью приема зажимного болта 48. Длина болта достаточна для того, чтобы он выступал из конической носовой части 44.

Обращаясь к фиг.5, показано, что лопастное колесо 10 с лопатками установлено на несущий вал 50. Коническая носовая часть 44 расположена внутри соответствующего приемного конического канала 54, образованного в несущем валу 52. Кроме того, на внутренней части конического канала 54 образовано резьбовое отверстие 56, выполненное с возможностью приема зажимного болта 48. Кроме того, на несущем валу 50 выполнены два зуба 58, предназначенные для передачи вращения на лопастное колесо 10 и ось 42.

При сборке лопастное колесо 10 устанавливается на ось 42 с посадкой с натягом. Посадка с натягом обеспечивает пригонку тела 22 ротора к оси 42 даже во время вращения с высокими скоростями во всем диапазоне рабочих температур. Затем лопатки 30 устанавливаются на ротор 20, и ротор с лопатками и установочной конструкцией 40 устанавливается на несущий вал 50, так что коническая носовая часть 44 входит в коническое отверстие 54. После этого зажимной болт 48 затягивается до тех пор, пока лопастное колесо 10 не будет неподвижно прикреплено к несущему валу 50, т.е. когда наружная поверхность конической носовой части 44 будет прилегать к внутренней поверхности конического отверстия 54. Затем устанавливается на место полусфера 29 ротора, и лопастное колесо 10 готово к функционированию. Другими словами, как описано выше, предлагаемая в настоящем изобретении установочная конструкция 40 позволяет осуществлять установку лопастного колеса 10 на несущий вал 50, когда лопатки 30 уже установлены на роторе 20.

На фиг.6 проиллюстрирован собранный компрессор, в целом обозначенный как 100, содержащий лопастное колесо 10, установленное на несущий вал 50, присоединенный к двигателю 60. Кожух 70 может представлять собой часть емкости, образующей, например, тепловой насос, в котором в данном конкретном примере применяется компрессор.

1. Ротор, выполненный с возможностью установки на него множества лопаток с образованием лопастного колеса, обладающего возможностью вращения вокруг главной оси ротора, при этом каждая лопатка из указанного множества лопаток имеет установочный участок, причем ротор содержит основные пазы и вспомогательные пазы, каждый основной паз выполнен с возможностью приема установочного участка одной из указанных лопаток, а указанные основные и вспомогательные пазы выполнены с возможностью изменения своих размеров при вращении указанного лопастного колеса вследствие центробежных сил и тепловых эффектов, возникающих в результате вращения, и, тем самым, с возможностью оказания давления на установочный участок при размещении указанного установочного участка в основном пазу с целью удержания указанной лопатки в основном пазу.

2. Ротор по п.1, отличающийся тем, что содержит верхнюю вставку и нижнюю вставку, выполненные с возможностью приема выступов установочного участка указанной лопатки с целью удержания лопатки в основном пазу.

3. Ротор по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью установки на нем сердечника, таким образом, чтобы способствовать дальнейшему удержанию лопаток в основных пазах, когда указанный сердечник установлен на роторе.

4. Ротор по п.3, отличающийся тем, что сердечник имеет гиперболическую форму, способствующую лучшему протеканию воздуха через лопастное колесо при вращении.

5. Ротор по п.1, отличающийся тем, что основной паз выполнен с возможностью размещения в нем адгезивного материала с целью удержания лопатки тогда, когда лопастное колесо находится в состоянии покоя.

6. Ротор по п.1, отличающийся тем, что каждый из основных пазов имеет протяженность I от внешней границы ротора по направлению к главной оси, а каждый из вспомогательных пазов имеет протяженность L от внешней границы ротора по направлению к главной оси, причем L>I.

7. Ротор по п.1, отличающийся тем, что вспомогательные пазы расположены по каждую сторону от указанного основного паза и отделены от него некоторым расстоянием.

8. Ротор по п.1, отличающийся тем, что каждый из вспомогательных пазов имеет ширину, которая меньше, чем ширина указанного основного паза.

9. Ротор по п.1, отличающийся тем, что между каждыми двумя соседними основными пазами расположены два вспомогательных паза, так что один вспомогательный паз служит в качестве правого вспомогательного паза для одного основного паза, а другой вспомогательный паз служит в качестве левого вспомогательного паза для другого основного паза.

10. Ротор по п.1, отличающийся тем, что между каждыми двумя соседними основными пазами расположен единственный вспомогательный паз, при этом указанный вспомогательный паз служит как в качестве левого вспомогательного паза для одного основного паза, так и в качестве правого вспомогательного паза для другого основного паза.

11. Ротор по п.1, отличающийся тем, что лопатки изготовлены из композитного материала.

12. Ротор по п.11, отличающийся тем, что лопатки имеют криволинейную пространственную форму.

13. Ротор по п.12, отличающийся тем, что указанная криволинейная форма обеспечивает образование между каждыми двумя соседними лопатками пространственного диффузионного канала при размещении указанных лопаток в основных пазах ротора.

14. Ротор по п.2, отличающийся тем, что установочный участок лопатки содержит выступы, выполненные с возможностью приема во вставках ротора для дополнительного закрепления лопатки в основном пазу.

15. Ротор по п.14, отличающийся тем, что указанные выступы имеют прямоугольную форму.

16. Ротор по п.1, отличающийся тем, что при вращении лопастного колеса ширина вспомогательных пазов увеличивается в ущерб увеличению основного паза, что вызывает уменьшение ширины основного паза и, тем самым, оказание давления на установочный участок помещенной в основной паз лопатки.

17. Ротор по п.1, отличающийся тем, что лопастное колесо выполнено с возможностью установки на оси с посадкой с натягом.

18. Ротор по п.17, отличающийся тем, что посадка с натягом реализована путем нагрева и охлаждения тела ротора.

19. Лопастное колесо, содержащее ротор с лопатками, охарактеризованный в п.1.

20. Компрессор, содержащий лопастное колесо, охарактеризованное в п.19.