паровая роторная расширительная машина

Формула изобретения

1. Паровая роторная расширительная машина, содержащая установленные в корпусе колеса Рутса, с обеих сторон которых выполнены двухступенчатые валы, размещенные на подшипниковых узлах, узлы уплотнения, смонтированные на больших диаметрах валов, на малых диаметрах которых установлены подшипниковые узлы, и синхронизирующие шестерни, обеспечивающие бесконтактное зацепление колес Рутса, размещенное в корпусе, установленное на одном конце вала одного из колес Рутса манжетное уплотнение и выполненные вне корпуса на том же конце вала канавки для установки в них шпонок, входной патрубок, обеспечивающий подвод свежего пара к колесам Рутса, выходной патрубок, отводящий отработанный пар от тех же колес, масляные полости, в которых размещены подшипниковые узлы и синхронизирующие шестерни, и опорные башмаки, закрепленные на корпусе, имеющие отверстия для крепления корпуса к раме, отличающаяся тем, что корпус имеет нижний корпус и верхнюю крышку, при этом на первом снизу размещены выходной патрубок и опорные башмаки, а сверху выполнен фланец, поверхность которого совпадает с плоскостью размещения осей вращения валов колес Рутса, на второй сверху размещен входной патрубок, а снизу выполнен фланец, установленный на фланце нижнего корпуса, который образует с верхней крышкой центральную паровую полость с размещенными в ней колесами Рутса, и двумя боковыми масляными полостями, в одной из которых установлены подшипниковые узлы, а в другой - подшипниковые узлы и синхронизирующие шестерни, между паровой полостью и каждой из боковых масляных полостей размещены узлы уплотнения, а паровая полость связана с входным и выходным патрубками, оси которых совпадают и лежат на одной линии, перпендикулярной плоскости размещения осей вращения валов колес Рутса.

2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что профили колес Рутса выполнены эпициклоидальными.

3. Машина по п.1, отличающаяся тем, что одна из синхронизирующих шестерен выполнена составной из двух частей, сидящих на одном валу, причем большая по ширине является основной, а меньшая - дополнительной, обеспечивающей компенсацию люфтов за счет эксцентриков.

4. Машина по п.1, отличающаяся тем, что подшипниковые узлы установлены на валы колес Рутса с гарантированным натягом.

5. Машина по п.1, отличающаяся тем, что узлы уплотнения выполнены из трех элементов, включающих в себя последовательно установленные лабиринтное, торцевое и радиальное уплотнения.

6. Машина по п.5, отличающаяся тем, что к торцевым уплотнениям подводится охлажденная, очищенная от солей вода.

7. Машина по п.1, отличающаяся тем, что выходной конец вала колеса Рутса, размещенного вне корпуса, выполнен конусным.

8. Машина по п.1, отличающаяся тем, что на торцах опорных башмаков, обращенных к фундаменту, выполнены одни канавки, оси которых лежат в плоскости размещения оси вращения выходного вала машины, а другие канавки выполнены на тех же башмаках, которые ближе к выходному валу и перпендикулярны к первым канавкам.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, а более конкретно к конструкции паровой роторной расширительной машины, в которой энергия сжатого пара в виде давления срабатывает на лопастях роторов с последующим использованием крутящего момента последних для привода различных механизмов, например электрогенераторов.

Известна роторная расширительная машина, содержащая корпус с входными и выходными каналами, расположенные в расточках корпусов ведущий и ведомый роторы, регулирующую заслонку, размещенную во входном канале, центробежный ограничитель скорости вращения, связанный непосредственно с регулируемой заслонкой, которая выполнена в виде набора пластин (см. US 556220 A, 30.05.1977, F 01 C 1/16).

В данной машине сжатый воздух через входной канал и регулируемую заслонку поступает в рабочую полость ведущего и ведомого роторов, где он расширяется, приводя их во вращение. Крутящий момент от ведущего ротора через шестерню передается грузикам центробежного регулятора. Под действием возрастающих центробежных сил грузики поворачиваются вокруг своих осей и воздействуют на заслонку, сжимая одновременно при этом пружину. Пакет пластин этой заслонки частично перекрывает доступ сжатого воздуха к роторам, что приводит к уменьшению степени заполнения их рабочих камер.

При уменьшении скорости вращения роторов центробежная сила грузиков центробежного регулятора уменьшается, что приводит к перемещению заслонки под действием пружины в сторону открытия дополнительных рабочих объемов для заполнения воздухом рабочих камер роторов.

Недостатком такой роторной расширительной машины является то, что происходит скачкообразное изменение объема в ее рабочих полостях, приводящее к скачкообразному изменению частоты вращения ее роторов. Такое изменение частоты вращения неприемлемо, когда машина связана с электрогенератором, вырабатывающим электрическую энергию, поступающую в сеть.

Наиболее близким техническим решением к паровой роторной расширительной машине по числу совпадающих признаков и достигаемому результату относится паровая роторная расширительная машина, содержащая установленные в корпусе колеса Рутса, с обеих сторон которых выполнены двухступенчатые валы, размещенные на подшипниковых узлах, узлы уплотнения, смонтированные на больших диаметрах валов, на малых диаметрах которых установлены подшипниковые узлы и синхронизирующие шестерни, обеспечивающие бесконтактное зацепление колес Рутса, размещенное в корпусе и установленное на одном конце вала одного из колес Рутса манжетное уплотнение и выполненные вне корпуса на том же конце вала канавки для установки в них шпонок, входной патрубок, обеспечивающий подвод свежего пара к колесам Рутса, выходной патрубок, отводящий отработанный пар от тех же колес, масляные полости, в которых размещены подшипниковые узлы и синхронизирующие шестерни и которые соединены с масляным насосом, и опорные башмаки, закрепленные на корпусе, имеющие отверстия для крепления корпуса к фундаменту (см. RU 2136892 C1, 10.09.1999, F 01 C 1/00).

В данной паровой расширительной машине подвод свежего пара к колесам Рутса осуществляется через входной патрубок, а отвод отработанного пара - через выходной патрубок. При подводе пара к колесам на лопастях роторов появляется перепад давлений, под действием которого роторы поворачиваются, причем один по часовой стрелке, а другой - против часовой стрелки. По мере вращения роторов в сторону выходного патрубка пар расширяется и давление падает. При попадании его в полость выходного патрубка давление упадет до давления в этом патрубке.

При вращении роторов крутящий момент от вала одного из них передается масляному насосу, который подает масло во внутренние полости корпуса, где размещены подшипниковые узлы и синхронизирующие шестерни, причем последние обеспечивают бесконтактное зацепление колес Рутса, т.е. между профилями лопастей всегда существуют гарантируемый зазор. Масло попадает внутрь корпуса, обеспечивает не только смазку находящихся внутри его узлов, но и отвод тепла от них.

Установка на валах роторов узлов уплотнений между торцами роторов колес Рутса и подшипниковыми узлами позволяет исключить проникновение масла в паровую полость и пара в масляную полость. Для удаления проникшего пара и масла предусмотрена в машине дренажная полость, через которую эта смесь выводится наружу.

Роторы колес Рутса в данной машине выполнены составными, состоящими из отдельных пластин и плотно стянутыми между собою. На конце вала одного из колес Рутса, который размещен вне корпуса, предусмотрены канавки, в которых установлены шпонки. Через последние осуществляется передача крутящего момента различным механизмам, например насосу или электрогенератору.

Недостатком работы данной паровой роторной расширительной машины является то, что, во-первых, в результате возникновения перепада давлений между входным и выходным патрубками на корпус действует опрокидывающий момент, так как направление движения пара перпендикулярно оси крепления корпуса, что требует установление между патрубком и подходящим к нему паропроводом специального сильфонного узла, во-вторых, использование составного ротора приводит к тому, что каждая пластина под действием высокой температуры в паровой полости имеет различное удлинение из-за различного структурного состава каждой пластины, а это приводит к тому, что часть пластин выбирает радиальный зазор и начинает касаться корпуса, в третьих, из-за конструктивного выполнения данной машины подшипниковые узлы посажены на валы с зазором, что приводит при работе этой машины к проскальзыванию внутренних обойм подшипников и значительным вибрациям, в четвертых, данная машина по конструкции выполнена так, что во время работы торцевой зазор между торцом роторов и торцом корпуса не постоянен, что может привести к касанию вращающихся роторов о корпус, в пятых, сборка данной машины происходит вертикально, и при монтаже возможно касание конца вала уплотнительных узлов, приводящее к повреждению последних.

Все перечисленные недостатки приводят к тому, что надежность машины снижается и, следовательно, уменьшается ресурс данной паровой роторной машины.

Задачей изобретения являются устранение указанных выше недостатков и повышение надежности и ресурса машины, а также ремонтопригодность в условиях эксплуатации.

Указанная задача достигается тем, что в паровой роторной расширительной машине, содержащей установленные в корпусе колеса Рутса, с обеих сторон которых выполнены двухступенчатые валы, размещенные на подшипниковых узлах, узлы уплотнения, смонтированные на больших диаметрах валов, на малых диаметрах которых установлены подшипниковые узлы и синхронизирующие шестерни, обеспечивающие бесконтактное зацепление колес Рутса, размещенное в корпусе, установленное на одном конце вала одного из колес Рутса манжетное уплотнение и выполненные вне корпуса на том же конце вала канавки для установки в них шпонок, входной патрубок, обеспечивающий подвод свежего пара к колесам Рутса, выходной патрубок, отводящий отработанный пар от тех же колес, масляные полости, в которых размещены подшипниковые узлы и синхронизирующие шестерни, и опорные башмаки, закрепленные на корпусе, имеющие отверстия для крепления корпуса к раме, согласно изобретению корпус имеет нижний корпус и верхнюю крышку, при этом на первом снизу размещены выходной патрубок и опорные башмаки, а сверху выполнен фланец, поверхность которого совпадает с плоскостью размещения осей вращения валов колес Рутса, на второй сверху размещен входной патрубок, а снизу выполнен фланец, установленный на фланце нижнего корпуса, который образует с верхней крышкой центральную паровую полость с размещенными в ней колесами Рутса и двумя боковыми масляными полостями, в одной из которых установлены подшипниковые узлы, а в другой - подшипниковые узлы и синхронизирующие шестерни, между паровой полостью и каждой из боковых масляных полостей размещены узлы уплотнения, а паровая полость связана с входным и выходным патрубками, оси которых совпадают и лежат на одной линии, перпендикулярной плоскости размещения осей вращения валов колес Рутса.

Кроме того, профили колес Рутса выполнены эпициклоидальными.

Кроме того, одна из синхронизирующих шестерен выполнена составной из двух частей, сидящих на одном валу, причем большая по ширине является основной, а меньшая - дополнительной, обеспечивающей компенсацию люфтов за счет эксцентриков.

Кроме того, подшипниковые узлы установлены на валы колес Рутса с гарантированным натягом.

Кроме того, узлы уплотнения выполнены из трех элементов, включающих в себя последовательно установленные лабиринтное, торцевое и радиальное уплотнения.

Кроме того, к торцевым уплотнениям подводится охлажденная, очищенная от солей вода.

Кроме того, выходной конец вала колеса Рутса, размещенного вне корпуса, выполнен конусным.

Кроме того, на торцах опорных башмаков, обращенных к фундаменту, выполнены одни канавки, оси которых лежат в плоскости размещения оси вращения выходного вала машины, а другие канавки выполнены на тех же башмаках, которые ближе к выходному валу и перпендикулярны к первым канавкам.

Перечисленные выше новые признаки в данной паровой роторной расширительной машине являются существенными, так как они достаточны для того, чтобы отличить данную машину от всех известных паровых роторных расширительных машин. При наличии признаков в данной машине мы добиваемся получения положительного эффекта, а именно повышения надежной работы и ресурса этой машины, повышения его КПД за счет подвода и отвода пара в направлении, перпендикулярном плоскости размещения осей вращения валов колес Рутса, за счет выбора типа подшипниковых узлов в зависимости от величины нагрузок, действующих на них, за счет установки подшипниковых узлов на валы колес Рутса с гарантированным натягом, за счет выполнения профилей лопастей колес Рутса эпициклоидальными, синхронизирующих шестерен прямозубыми и установленных со стороны выходного вала, что исключает возможность касания роторов при переменных нагрузках, уплотненных втулок и выбора типа уплотнения между паровой полостью и каждой боковой полостью.

На фиг.1 представлен поперечный разрез по ведущему валу, вид сбоку;

на фиг.2 - горизонтальный разрез по плоскости разъема (вид сверху);

на фиг.3 - вид на паровую машину со стороны опорной плоскости.

Паровая роторная расширительная машина (на фиг.1, 2) содержит корпус 1, внутри которого установлены колеса Рутса 2 и 3, с обеих сторон которых размещены двухступенчатые валы 4 и 5, узлы уплотнения 6 и 7, смонтированные на больших диаметрах валов 4 и 5, на малых диаметрах которых размещены подшипниковые узлы 8, 9 и синхронизирующие шестерни 10 и 11, обеспечивающие бесконтактное зацепление колес Рутса 2 и 3, один конец 12 вала 4 размещен вне корпуса 1 и на нем установлено манжетное уплотнение 13 и выполнены канавки 14 для установки в них шпонок, входной патрубок 15, обеспечивающий подвод свежего пара к колесам Рутса 2 и 3, выходной патрубок 16, отводящий отработанный пар от тех же колес, опорные башмаки 17, имеющие отверстия 18, обеспечивающие крепление корпуса 1 к раме.

Корпус 1 имеет нижний корпус 19 и верхнюю крышку 20, при этом на корпусе 19 размещены снизу выходной патрубок 16 и опорные башмаки 17, а сверху - фланец 21, поверхность которого совпадает с плоскостью 22 размещения осей вращения валов 4 и 5 колес Рутса 2 и 3, на верхней крышке 20 размещен входной патрубок 15, а снизу выполнен фланец 23, установленный на фланце 21 корпуса 19, и образует с последним паровую центральную паровую полость 24 и две боковые масляные 25 и 26, при этом в полости 25 установлены подшипниковые узлы 8, а в полости 26 - подшипниковые узлы 9 и синхронизирующие шестерни 10 и 11. Между паровой полостью 24 и боковой масляной полостью 25 установлен узел уплотнения 6, а между полостью 24 и второй боковой масляной полостью 26 - узел уплотнения 7.

В паровой полости 24 установлены колеса Рутса 2 и 3, и она связана с входным патрубком 15 и выходным патрубком 16, оси которых совпадают и лежат на линии 27, перпендикулярной плоскости 22 размещения осей вращения валов 4 и 5 колес Рутса 2 и 3. Узлы уплотнения 6 и 7 выполнены из 3-х элементов, включающих в себя последовательно установленные лабиринтное, торцевое и радиальное уплотнение. Профили колес Рутса 2 и 3 выполнены эпициклоидальными, а боковая масляная полость 26 расположена ближе к выходному валу 12. Подшипниковые узлы 8, 9 установлены на валы 4 и 5 с гарантированным натягом, а конец 12 вала 4 выполнен конусным. На торцах опорных башмаков 17 со стороны крепления к раме выполнены канавки 28 (фиг.3), в которых их оси лежат в одной плоскости с размещенной в ней осью вращения вала 4 колеса Рутса 2, а другие канавки 29 сделаны на тех опорных башмаках, которые ближе размещены к концу 12 вала 4 и перпендикулярны к первой канавке 28. Шестерни 10 и 11 изготовлены прямозубыми с компенсацией люфтов за счет дополнительной шестерни 30, сидящей вместе с шестерней 11 и регулирующейся с помощью эксцентриков.

Паровая роторная расширительная машина работает следующим образом.

Свежий пар, поступающий из парового котла через регулирующее устройство, поступает во входной патрубок 15, откуда он подводится к колесам Рутса 2 и 3. Под действием перепада давлений, возникающего на лопастях колес, последние начинают вращаться, одно колесо по часовой стрелке, а другое - против часовой стрелки.

По мере вращения колес пар, находящийся между лопастями колес, перемещается из входного патрубка в выходной и постепенно расширяется в нем, а давление его постепенно начинает падать и упадет до давления пара, находящегося в выходном патрубке 16, в тот момент, когда он соединится с полостью этого патрубка. Отработанный пар через выходной патрубок 16 отводится по паропроводу в паровую сеть.

При вращении колеса 2 через конец 12 вала 4, в котором выполнены канавки 14 для размещения в них шпонок, крутящий момент передается любому механизму, например электрогенератору, вырабатывающему электроэнергию для хозяйственных нужд. Масло, подводимое в полости 25 и 26 от масляной станции, не только смазывает подшипниковые узлы 8, 9 и синхронизирующие 10, 11 и 30, но отводит от них часть тепла, слив масла производится через штуцеры 31 и 32. Узлы уплотнения 6 и 7, выполненные из 3-х элементов уплотнений, препятствуют проникновению пара из паровой полости 24 в боковые полости 25 и 26 и масла из последних в паровую полость 24, при этом торцевые уплотнения узлов 6 и 7 для улучшения работы охлаждаются очищенной водой.

Манжетное уплотнение 13, установленное на валу 4, препятствует вытеканию масла из боковой полости 26 наружу.

Применение на каждой лопасти колеса Рутса эпициклоидального профиля позволяет обеспечивать постоянный зазор между лопастями в течение всей работы машины, что скажется на снижении перетока пара из входного патрубка во входной патрубок и повышает КПД машины.

Установка подшипниковых узлов 8, 9 на валы 4 и 5 с гарантированным натягом приводит к уменьшению вибрации машины и повышает ее надежность и ресурс.

Также повышает надежность машины выполнение канавок 28 и 29 на опорных башмаках 17, в которые устанавливаются шпонки, крепящиеся на раме. В этом случае снижаются вибрационные явления, которые свойственны роторным машинам, и при этом учитываются температурные деформации корпуса при работе машины на пару.

Таким образом, в данной паровой роторной расширительной машине благодаря использованию указанных выше новых конструктивных разработок повышается надежность и ресурс работы машины, а также его КПД.