ротационный детандер

Формула изобретения

Ротационный детандер, содержащий соосный со статором ротор, который выполнен в форме двух расположенных на одной оси дисков, имеющих на внешней стороне расположенные в центральных сквозных отверстиях корпусы подшипников, к свободному торцу одного из которых крепится с помощью фланца вал привода, а сторонами, обращёнными друг к другу, соединенных выполненным в виде части кольца крылом расширения, через атакующую кромку которого, через его ось вращения, находящуюся на расстоянии эксцентриситета от оси вращения ротора, и через ось вращения ротора проходит условная секущая плоскость, при этом от атакующей кромки крыла расширения к его тыльной кромке прикреплены две поддерживающие полосы в виде оставшейся части кольца и в это цилиндрическое пространство по плоскости, проходящей через ось вращения ротора, вписываются две одинаковые, равные длине крыла расширения и упирающиеся пружинами в штанги толкателей пластинчатые перегородки, установленные в соединенные отверстиями для штанг прорези на статоре глубиной, равной ширине перегородки, а длиной - длине перегородки и статора, который выполнен в форме круглого цилиндра с образующей, проходящей от образующей линии внутренней поверхности крыла расширения в месте сближения на минимальном расстоянии, и на торце которого, обращенном к корпусу подшипников с приводным валом, выполнена ось, на которую с помощью подшипников крепится ротор, а на другом торце находится соосный с осью статора патрубок входа, на который с помощью подшипников опирается ротор, при этом в цилиндрической части статора за пластинчатыми перегородками, встречающимися с атакующей кромкой крыла расширения, вращающегося в ее направлении, установлены клапаны впуска, каналы впуска которых соединены с патрубком входа, а с противоположной стороны от вала на фланце выполнен в виде профилированного кольца кулачок, входящий в контакт с толкателями, которые соединены с клапанами впуска.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к расширительным машинам, к детандерам и, в частности, может использоваться для получения низких температур в газовых холодильных установках.

Известные ротационные детандеры содержат корпус, во внутреннем цилиндрическом объеме которого установлен с эксцентриситетом к его оси ротор. В пазах ротора размещены подвижные пластины, контактирующие с внутренней поверхностью корпуса. На корпусе выполнены по две пары патрубков входа и выхода газа. При этом внутренний объем корпуса делится с помощью пластин поровну на детандерную и компрессорную части. Камеры расширения и сжатия в них образованы внутренней поверхностью корпуса, пластинами и ротором. (См. авт. свид. СССР (SU) № 641244 А 05.01.1979 и авт. свид. СССР (SU) № 817413.А 30.03.81. МКИ F 25 В 9/00).

В известных ротационных детандерах сжатый газ через патрубок входа поступает на расширение в детандерную часть. В камерах расширения газ расширяется, производит работу в виде вращения ротора и охлаждается. Полученная работа расширения газа расходуется на сжатие газа, поступающего через патрубок входа в камеры сжатия компрессорной части.

При всей простоте известные ротационные детандеры имеют недостатки. К недостаткам их относится то, что пластины под действием центробежных сил при вращении ротора прижимаются к внутренней поверхности корпуса детандера и от возникающего трения они нагревают внутреннюю поверхность корпуса, составляющую камеры расширения. К тому же при преобразовании работы расширения (сжатия газа) поверхности пластин и ротора в результате теплообмена вносят вместе с оставшимся газом значительную часть тепла от процесса сжатия в процесс расширения. Поэтому эффективность этих ротационных детандеров низкая, а повысить эффективность ротационных детандеров такого типа сложная задача. В результате они не получили известного применения.

Заявляемое изобретение направлено на создание ротационного детандера нового типа, в котором расширение газа в образующихся камерах расширения будет эффективным, а работа расширения газа преобразуется традиционно.

Техническим результатом использования изобретения является то, что созданный ротационный детандер расширит ассортимент ряда ротационных детандеров.

Техническим результатом использования изобретения является то, что ротационный детандер будет эффективным в результате эффективного расширение газа в образующихся камерах расширения

Указанные технические результаты достигаются тем, что ротационный детандер содержит соосный со статором ротор, выполненный в форме двух расположенных на одной оси дисков, имеющих на внешней стороне расположенные в центральных сквозных отверстиях корпусы подшипников, к свободному торцу одного из которых с помощью фланца крепится вал привода, а сторонами, обращенными друг к другу, соединенных выполненным в виде полукольца с четвертью крылом расширения. Через атакующую кромку крыла расширения, через его ось вращения, находящуюся на расстоянии эксцентриситета от параллельной ей оси вращения ротора, и через ось вращения ротора проходит условная секущая плоскость, при этом от атакующей кромки крыла к его тыльной кромке прикреплены две поддерживающие полосы в виде оставшейся части кольца. В образовавшееся крылом расширения цилиндрическое пространство, по плоскости, проходящей через ось вращения ротора, вписываются две одинаковые равные длине крыла расширения и упирающиеся пружинами в штанги толкателей пластинчатые перегородки, установленные в соединенные отверстиями для штанг прорези на статоре глубиной, равной ширине перегородки, а длиной - длине перегородки и статора. Статор выполнен в форме круглого цилиндра с образующей, проходящей от образующей линии внутренней поверхности крыла расширения в месте сближения на минимальном расстоянии, и на торце которого, обращенном к корпусу подшипников с приводным валом, выполнена ось, на которую с помощью подшипников крепится ротор. На другом торце статора находится соосный с его осью патрубок входа, на который с помощью подшипников опирается ротор. При этом в цилиндрической части статора за пластинчатыми перегородками, встречающимися с атакующей кромкой крыла расширения, вращающегося в ее направлении, установлены клапаны впуска, каналы впуска которых соединены с патрубком входа. На противоположной стороне от вала на фланце находится выполненный в виде профилированного кольца кулачок, входящий в контакт с толкателями, которые соединены с клапанами впуска.

Полученным техническим результатом использования изобретения является то, что в ротационном детандере крыло расширения, выполненное в виде половины кольца и его четверти, образуя объем расширения, позволяет расширять газ эффективно даже в парожидкостной области состояния газа.

Полученным техническим результатом использования изобретения является то, что в ротационном детандере соединение пластинчатых перегородок штангами позволяет ослабить давление пластин на поверхность крыла расширения и, значит, уменьшить приток тепла от трения и износ перегородок.

На фиг. 1 изображен вид ротационного детандера с местными разрезами. На фиг. 2 изображен поперечный разрез (А - А) ротационного детандера. Первоначальное расположение крыла расширения обозначено пунктирной линией.

На фиг. 1 и 2 центральная ось статора 1 ротационного детандера находится на одной линии - соосно с осью вращения ротора 2. Ротор 2 состоит из двух расположенных параллельно на определенном расстоянии круглых и равных дисков 3, соединенных между собой на одной оси. На внешних сторонах дисков 3, в их центральных сквозных отверстиях установлены выполненные как единое целое выступающие наружу корпусы подшипников. К свободному торцу, например, левого (см. фиг.1), корпуса подшипников диска 3 с помощью глухого фланца крепится соосно с ротором приводной вал 4. На фланце с противоположной стороны от приводного вала находится кулачок 5, выполненный в виде профилированного кольца, также соосный с осью ротора 2. Диски 3 ротора 2 соединены между собой в единое целое крылом расширения 6, выполненным в виде части кольца, составленного из половины кольца и, например, его четверти. Ось тела вращения крыла расширения 6 параллельна оси вращения ротора 2 и находится от нее на расстоянии эксцентриситета. При этом крыло расширения 6 установлено так, что ось его тела вращения, ось вращения ротора 2 и атакующая кромка крыла расширения 6 расположены на общей для них условной секущей плоскости. Кромка крыла расширения 6, расположенная ближе к оси вращения ротора, представляется атакующей кромкой. Вторая кромка крыла расширения 6 является тыльной кромкой. Длина крыла расширения 6 - это расстояние между дисками 3. Ширина крыла расширения 6, согнутого с определенным радиусом, - это длина его развертки. От атакующей кромки к тыльной кромке крыла расширения 6, заподлицо с его внутренней поверхностью прикреплены две узкие поддерживающие полосы 7 в виде оставшейся части кольца радиусом гибки как у крыла расширения. Поддерживающие полосы 7 расположены равномерно по длине кромок крыла 6. Для балансировки ротора 2 на дисках 3 устанавливаются противовесы. В образовавшееся крылом расширения 6 и поддерживающими полосами 7 цилиндрическое пространство, по оси вращения ротора 2 устанавливается круглая цилиндрическая часть статора 1, имеющая меньший диаметр. Длина цилиндрической части статора 1 равна длине крыла расширения 6. Чтобы не было касания наружной и внутренней поверхностей статора 1 и крыла расширения 6, так как их параллельно расположенные оси находятся на расстоянии эксцентриситета, диаметр статора подбирается таким, чтобы образующая линия его цилиндрической части в месте сближения проходила от образующей линии внутренней поверхности крыла расширения 6 на минимальном расстоянии. В результате место сопряжения полукольца крыла расширения 6 с его дополнительной частью (четвертью) находится от поверхности цилиндрической части статора 1 на максимально удаленном расстоянии. А атакующая кромка крыла расширения 6 находится на минимальном расстоянии от поверхности цилиндрической части статора 1. При этом внутренняя поверхность крыла расширения 6 с началом от атакующей кромки крыла до полукольца является плоскостью расширения, а дальнейшее продолжение его является дополнительной плоскостью расширения. По секущей плоскости, проходящей через ось статора 1, которая находится на одной линии с осью вращения ротора, вписываются в распор с внутренней поверхностью крыла расширения 6 две одинаковые прямоугольные пластинчатые перегородки 8, соединенные с определенным зазором через пружины с двумя штангами 9. Перегородки 8 равны длине цилиндрической части статора 1. Они устанавливаются в противоположно расположенные, выполненные по всей длине цилиндрической части статора прорези, проходящие по условной плоскости через ось статора 1. Глубина выполненных в статоре 1 прорезей равна ширине пластинчатых перегородок 8, а толщина прорезей равна их толщине. Причем обеспечивая контакт с боковыми поверхностями прорезей, перегородки 8 не должны выходить из них. Прорези в статоре 1 соединяются равноудаленными от края статора двумя отверстиями. В эти отверстия устанавливаются штанги 9, распирающие с помощью пружин перегородки 8. На поверхностях отверстий установки штанг предусматриваются шлицы для образования перетечек газа через зазоры (не указываются). На торце цилиндрической части статора 1, обращенном к корпусу подшипников с приводным валом 4, соосно оси, образуя единое целое статора, выполнена ось. На эту ось с помощью подшипников крепится ротор 2. Подшипники располагаются в корпусе подшипников. На другом торце цилиндрической части статора 1, соосно, образуя единое целое статора, находится патрубок входа 10. На патрубок входа 10 устанавливается подшипник, который закрепляется в корпусе подшипников правого диска 3 (см. фиг. 1) и закрывается фланцем с центральным сквозным отверстием. В результате вращающийся ротор опирается на две опоры. Если теперь осуществить вращение ротора 2, то пластинчатые перегородки 8 через половину оборота попеременно будут входить в контакт с внутренней поверхностью крыла расширения 6 и поддерживающих полос 7. То есть соединенные штангами 9 перегородки 8 будут перемещаться в прорезях возвратно-поступательно. При этом непрерывно будут образовываться замкнутые объемы - камеры расширения. Камера расширения ограничивается внутренней поверхностью крыла расширения 6, боковыми поверхностями дисков 3 ротора, наружной поверхностью цилиндрической части статора 1, поверхностью той или иной перегородки 7 или сразу двумя перегородками и атакующей кромкой крыла расширения, расположенной наиболее близко к поверхности цилиндрической части статора 1. По ходу вращения ротора 2, а вращение ротора осуществляется в направлении атакующей кромки крыла расширения (на фиг. 2, против часовой стрелки), на статоре 1 за каждой пластинчатой перегородкой 8 установлены клапаны впуска. На фиг. 1 и 2 клапаны впуска представляют закрывающиеся и открывающиеся отверстия с помощью клапанных планок 11, установленных на рейках, которые соединены штангами с толкателями 12, направленными к стороне фланца с приводным валом 4. Толкатели 12 контактируют с кулачком 5, так как выталкиваются пружинами на его профиль. Клапанные планки со штангами и толкателями расположены в выборках и пазах, выполненных в теле статора 1. Отверстия выхода из клапанов расположены как можно ближе к перегородкам 8. Клапаны впуска у каждой перегородки 8 соединены с находящимися в корпусе статора 1 каналами входа, которые затем объединены в один канал, выходящий наружу через патрубок входа 10. На фиг. 1 стрелкой указан вход из патрубка. За патрубок входа 10 с помощью опорного устройства ротационный детандер крепится к опоре.

Работа ротационного детандера осуществляется следующим образом. См. фиг. 1, 2. На вход ротационного детандера подается сжатый газ. Вал привода 4, соединенный соосно с ротором 2, приводится, например, двигателем-электрогенератором во вращение в направлении атакующей кромки крыла расширения 6 (на фиг. 2 против часовой стрелки). Из описания следует, что внутренняя поверхность полукольца крыла расширения 6 с началом от атакующей кромки является плоскостью расширения крыла, а дальнейшее продолжение его является дополнительной плоскостью расширения. Так как крыло расширения 6 установлено на роторе 2 с эксцентриситетом, то соединенные штангами 9 перегородки 8, установленные по оси статора 1, будут перемещаться в прорезях статора возвратно-поступательно. Пусть в начальный момент вращения ротора 2 начало плоскости расширения крыла расширения 6, идущее за атакующей кромкой, контактирует с нижней (см. фиг. 2) утопленной в прорези перегородкой 8. Тогда окончание полукольца крыла расширения 6 находится в контакте с верхней выдвинутой из прорези пластинчатой перегородкой 8, которая соединена подпружиненными штангами 9 с противоположной перегородкой. Во время вращения ротора 2 атакующая кромка крыла 6 постоянно находится на минимальном расстоянии от цилиндрической части статора 1, а последующие участки плоскости расширения крыла отдаляются от плоскости цилиндрической части статора 1. При этом последующие участки на дополнительной плоскости расширения крыла 6 приближаются к плоскости цилиндрической части статора 1. Поэтому при вращении ротора 2 дополнительная плоскость расширения давит на перегородку 8 и постепенно утапливает ее в прорезь статора 1. Подпружиненные штанги 9 выдвигают нижнюю противоположно расположенную перегородку. Так как расстояние между плоскостью расширения крыла расширения 6 и плоскостью цилиндрической части статора 1 увеличивается, а перегородка контактирует с плоскостью, то справа от оси образуется первая камера расширения (см. фиг. 2). При этом кольцевой кулачок 5, вращающийся с ротором 2, одновременно с прохождением атакующей кромки через нижнюю перегородку набегает подъемом на толкатель 12 и перемещает его. Толкатель 12 с помощью закрепленной на нем штанги перемещает рейку с установленными на ней клапанными планками 11, и клапан впуска открывается. Газ под давлением поступает в образовавшийся объем камеры расширения и давит на стенки, ограничивающие объем. Крыло расширения 6 с плоскостью расширения - это подвижная стенка камеры расширения под действием силы давления газа перемещается в направлении действия силы, а объем камеры расширения будет увеличиваться, и вновь поступающий газ будет заполнять его. Когда при вращении ротора 2 кулачок 5 вершиной перейдет толкатель 12, то толкатель под действием пружины возвратится в исходное положение. Соответственно клапанные планки 11 перекроют отверстия выхода газа, и клапан впуска закроется. Поступивший под давлением в камеру расширения газ расширяется и продолжает давить на плоскость расширения крыла расширения 6, то есть совершает работу, вращает ротор 2, при этом газ охлаждается. Действие силы давления расширяющегося газа на плоскость расширения крыла расширения 6 будет до тех пор, пока атакующая кромка крыла 6 не достигнет противоположной пластинчатой перегородки 8 (затем оно замедлится). При этом верхняя перегородка 8 будет полностью утоплена в прорези статора, а нижняя пластинчатая перегородка 8 полностью выдвинута из прорези. Далее объем камеры расширения продолжает увеличиваться в результате того, что максимально удаленное от поверхности цилиндрической части статора 1 место сопряжения полукольца крыла расширения 6 с его дополнительной частью (четвертью) перемещается. Поэтому совершивший работу расширения газ в замкнутом объеме дополнительно расширяется с совершением работы и охлаждается. При дальнейшем вращении ротора 2 начало плоскости расширения крыла расширения 6, идущее за атакующей кромкой, контактирует уже с верхней (см. фиг. 2) утопленной в прорези перегородкой 8. Соответственно расстояние между плоскостью расширения крыла расширения 6 и плоскостью цилиндрической части статора 1, образуя камеру, постепенно увеличивается уже слева от соответствующей оси. При этом кольцевой кулачок 5, вращающийся с ротором 2, одновременно с прохождением атакующей кромки через верхнюю перегородку набегает подъемом на второй толкатель 12 и перемещает его. Толкатель 12 с помощью закрепленной на нем штанги перемещает рейку с установленными на ней клапанными планками 11. В результате второй клапан впуска открывается. Газ под давлением поступает в образовавшийся объем слева (см. фиг. 2) и давит на стенки, ограничивающие объем. Крыло расширения 6 под действием силы давления газа перемещается в направлении действия силы. После этого двигатель, вращающий ротор 2, переходит в режим генерации электрического тока, то есть с вала ротора 2 начинает сниматься полезная работа расширения газа. А когда дополнительная часть крыла расширения 6 при вращении ротора 2 пройдет через нижнюю пластинчатую перегородку 8, первый замкнутый объем откроется и расширившийся охлажденный газ объединится с ранее вышедшим газом. Аналогично выше описанному газ расширится в левой стороне полученного замкнутого объема, отдаст работу расширения электрогенератору и выйдет в объем ранее вышедшего газа. При этом замечаем, что газ на расширение поступает объемно, а выходит поточно.