объемная роторная машина

Формула изобретения

Объемная роторная машина, содержащая статор с опорами вращения, размещенные в них выходной вал, полую ось, а также ротор, установленный в этих опорах эксцентрично относительно полой оси с возможностью передачи вращающего момента выходному валу и обратно и включающий в себя корпус, жестко связанные с ним торцовые диски с питательными окнами, переходную камеру, расположенную между дисками внутри корпуса и сообщенную с внутренней полостью оси, а также лопасти, жестко связанные с корпусом и установленные внутри него с возможностью скольжения в сухарях, размещенных во втулках, расположенных, в свою очередь, на полой оси с возможностью вращения относительно ее между торцевыми дисками, отличающаяся тем, что полая ось установлена в качестве полого вала, а переходная камера сообщена с внутренней полостью этого вала при помощи расположенных в ней радиальных каналов, обеспечивающих закручивание рабочей среды непосредственно от продольной оси полости вала с последующим вращением ее в этих каналах, причем каналы, расположенные в переходной камере, выполнены в виде лопаток, установленных в ней радиально.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и, в частности, к роторным машинам объемного действия.

Известна объемная роторная машина (RU 2282037, 11.05.2005), содержащая неподвижный статор с размещенными в нем опорами, торцовые диски, полый вал и корпус, расположенные в статоре с возможностью вращения в этих опорах. Корпус по наружному диаметру установлен внутри одной из этих опор, выполненной, например, в виде подшипника качения. Машина содержит также сухарь, лопасть, установленную внутри корпуса с возможностью обеспечения жесткой связи с дисками и одновременным скольжением в сухаре, расположенном в корпусе. Кроме того, машина содержит питательные окна, расположенные в противоположных дисках по обе стороны лопасти, одно из которых сообщено с внутренней полостью статора, а другое - с внутренней полостью вала посредством размещенной в машине камеры.

В данной машине вал вращается равномерно, а корпус имеет вращение неравномерное, характерное для кулисного механизма.

Основным недостатком данной машины являются повышенные моменты от сил инерции, действующие на вал.

Недостатком является также сниженная мощность, отдаваемая машиной (эффективная) вследствие низкого объемного КПД ( _о), так как раздел между рабочим объемом машины с повышенным давлением и объемом с пониженным давлением осуществлен в лучшем случае в виде контакта по линии.

Известна также роторная объемная машина (заявка на изобретение № 2008107882/06(008521)), содержащая статор с размещенными в нем опорами вращения, торцовые диски, полую ось и корпус, расположенный в статоре с возможностью вращения в опорах, а также сухарь, лопасть, установленную внутри корпуса с возможностью обеспечения жесткой связи с торцовыми дисками и одновременным скольжением ее в сухаре, питательные окна, расположенные в противоположных дисках по обе стороны лопасти, одно из которых сообщено с внутренней полостью статора, а другое - с внутренней полостью оси посредством размещенной в машине переходной камеры.

Согласно изобретению корпус выполнен в виде ротора и расположен в опорах вращения соосно с дисками с возможностью жесткой связи с ними и лопастью, а переходная камера размещена в корпусе. При этом полая ось установлена в опорах статора эксцентрично относительно корпуса и торцовых дисков, а сухарь установлен во втулке, размещенной внутри корпуса между дисками с возможностью вращения на полой оси. Выходной вал размещен параллельно корпусу в своих опорах вращения, и передача вращающего момента к нему от корпуса осуществлена при помощи зубчатой передачи.

Основным недостатком данной машины из-за наличия в ней общих с аналогом конструктивных особенностей является также сниженная эффективная мощность.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективной мощности машины.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в представленной объемной роторной машине, содержащей статор с опорами вращения, размещенные в них выходной вал, полую ось, а также ротор, установленный в этих опорах эксцентрично относительно полой оси с возможностью передачи вращающего момента выходному валу и обратно и включающий в себя корпус, жестко связанные с ним торцовые диски с питательными окнами, переходную камеру, расположенную между дисками внутри корпуса и сообщенную с внутренней полостью оси, а также лопасти, жестко связанные с корпусом и установленные внутри него с возможностью скольжения в сухарях, размещенных во втулках, расположенных в свою очередь на полой оси с возможностью вращения относительно нее между торцовыми дисками.

Согласно изобретению полая ось установлена в качестве полого вала, переходная камера сообщена с внутренней полостью этого вала при помощи расположенных в ней радиальных каналов, обеспечивающих закручивание рабочей среды непосредственно от продольной оси полости вала и с последующим вращением ее в этих каналах, причем каналы, расположенные в переходной камере, выполнены в виде лопаток, установленных в ней радиально.

Таким образом, при вращении на объем рабочей среды, заполняющей каналы, будет действовать сила инерции ее вращательного движения (центростремительного ускорения), которая будет равна

. (Для упрощения силами Кориолиса, возникающими в каналах при вращении, условно пренебрегаем.)

Работа, совершаемая этой силой по перемещению рабочей среды, заключенной во вращающихся каналах от радиуса r₀ к радиусу r, и отнесенная к единице веса среды, будет выражаться в виде инерционного напора:

hu= ²/g rdr= ²/2g(r²-r₀ ²)

(см. Т.М.Башта. Машиностроительная гидравлика. М.: Машиностроение, 1971, с.75, 77, 78).

Исходя из конструкции предлагаемой машины, в которой закручивание рабочей среды начинается непосредственно от продольной оси полого вала, можно принять, что r₀=0. Поэтому инерционное давление, развиваемое в кольцевой массе рабочей среды, расположенной перед входными питательными окнами, будет

Pu=Yr ^{2 2}/2g,

где r - радиус кольцевой массы, расположенной перед питательными окнами.

Известно, что в жидких и газовых рабочих средах давление, развиваемое в любой точке в радиальном направлении, равно тому же и в осевом.

Таким образом, осевое давление, развиваемое в кольцевой массе с радиусом r, будет передаваться через входные питательные окна в рабочие объемы машины, при этом рабочее давление, действующее на ее рабочие лопасти, будет равно:

Pr=Р+Pu,

где Р - давление рабочей среды на входе машины.

Эффективная мощность, развиваемая при этом машиной:

Nэ= (N+Nu),

где - полный (эффективный) коэффициент полезного действия (КПД).

В нашем случае:

= u,

где - КПД, определяемый объемными о и механическими мех потерями (т.е. = о мех);

u - инерционный КПД, учитывающий потери мощности на преодоление моментов сил инерции при неустановившихся режимах работы машины, в частности при раскруте массы рабочей среды, заключенной в каналах;

N - потребляемая мощность;

Nu - мощность напора инерции.

Поэтому можно записать:

Nэ= u(QP+QuPu),

где Q - потребляемый объем рабочей среды;

Р - давление потребляемого объема рабочей среды;

Qu - объем рабочей среды, перемещающийся в каналах под действием центробежной силы;

Pu - центробежная сила (сила инерции). Здесь нужно заметить, что в диапазоне скоростей движения рабочей среды, обеспечивающих ее неразрывность при вращении в каналах, будет происходить автоматическое ее закручивание (авторотация) в виде вихревых шнуров.

Предложенная машина обладает дополнительно свойством самовсасывания.

Принимая во внимание, что потребляемая машиной мощность (N) на входе ее есть величина постоянная, то увеличение частоты вращения ротора из-за самовсасывания ведет к увеличению объемной составляющей (Q) этой мощности, а составляющая давления (Р) при этом будет уменьшаться.

Формула эффективной мощности в общем виде:

Nэ= (N±Nu),

где знак «+» - когда направление инерционного напора совпадает с направлением рабочей среды, то есть, как в нашем случае, от центра вращения к периферии;

знак «-» - когда направление рабочей среды обратное, от периферии к центру.

Таким образом, размещение вращающихся каналов перед входными и питательными окнами машины способствует созданию мощности инерционного напора, чем компенсируются различные потери и, как следствие, повышается эффективная мощность.

На фиг.1, 2, 3, 4, 5 приведена полуконструктивная схема машины.

На фиг.1 изображен общий вид машины.

На фиг.2 - ее продольный разрез, в котором отражены конструктивные особенности машины.

На фиг.3 - разрез по А-А фиг.2, в котором показано расположение силовых элементов в левом рабочем объеме машины.

На фиг.4 - разрез по Б-Б фиг.2, в котором показано расположение силовых элементов в правом рабочем объеме во взаимосвязи с левым.

На фиг.5 - разрез по В-В фиг.2, в котором показано размещение радиальных каналов в переходной камере.

Схема поясняет работу машины в режиме, например, полноприводного двигателя, поэтому машина представлена в виде сдвоенной.

Объемная роторная машина (см. фиг.1) содержит статор 1 с опорами вращения 2, выходной вал 3 и ротор 4, размещенные в этих опорах, причем ротор 4 размещен в опорах эксцентрично относительно вала 3 с возможностью передачи ему вращающего момента обратно посредством, например, зубчатой передачи 5 с внутренним зацеплением (см. фиг.2). Кроме того, вал 3 изготовлен полым с возможностью выполнения функции оси.

В свою очередь (см. фиг.2) ротор 4 включает в себя корпус 6, жестко связанные с ним торцовые наружные диски 8 и внутренние 7, содержащие соответственно входные питательные окна 9 и выходные 10. Корпус 6 включает в себя переходную камеру 11, расположенную между внутренними дисками 7 и сообщенную с внутренней полостью 12 вала 3 посредством каналов 13 и 14. Причем (см. фиг.5) каналы, размещенные в переходной камере, образованы при помощи лопаток 19. Корпус 6 включает в себя также рабочие лопасти 15, жестко связанные с ним и дисками 7 и 8. Поверхности лопастей 15, расположенные в рабочем объеме машины между дисками 7 и 8, установлены с возможностью скольжения в сухарях 16, размещенных в свою очередь во втулках 17 и расположенных на валу 3 с возможностью вращения на подшипниках 18 между дисками 8 и 7.

Машина работает следующим образом.

В исходном положении (см. фиг.2) рабочая среда от источника питания под давлением Р подается во внутреннюю полость 12 вала 3, а затем посредством каналов 13 и 14 и переходной камеры 11 попадает в рабочий объем (рабочую камеру) машины, расположенный перед лопастью 15 левой секции (см. фиг.2 и фиг.3). Впускное окно 9 правой секции в это время перекрыто втулкой 17 (см. фиг.2 и фиг.4).

Под действием этого избыточного давления Р, воздействующего на рабочую лопасть левой секции, появляется крутящий момент в этой секции корпуса 6 и вместе с ним ротор 4 начинает вращаться в направлении, указанном стрелкой (см. фиг.3). При этом рабочий объем, расположенный с правой стороны от рабочей лопасти 15, будет увеличиваться, а с левой уменьшаться, рабочая среда при этом вытесняется через окно 10 (см. фиг.2, на фиг.3 окно 10 показано условно) в систему или атмосферу.

Затем начинают открываться окна питания 9 и 10 и при этом появляется крутящий момент в правой секции, который будет увеличиваться и суммироваться с уменьшающимся моментом левой секции. Таким образом обеспечивается непрерывное вращение ротора 4, который при этом посредством зубчатой передачи 5 передает вращение валу 3 (в нашем случае вал 3 установлен в качестве выходного).

Лопатки 19 (фиг.5) при этом могут быть жестко связаны с дисками 7 переходной камеры 11. По мере набора оборотов ротором 4 в каналах 13 непосредственно от продольной оси полого вала 3 будет происходить закручивание рабочей среды, переходящее во вращение в каналах 14, расположенных в переходной камере 11. При этом в этих каналах будет создаваться инерционный напор с давлением Pu в кольцевой массе рабочей среды (см. фиг.5), расположенной перед входными окнами 9, ограниченной радиусами r и R. Возникающая при этом мощность инерционного напора будет компенсировать потери потребляемой мощности машины, включая потери от перетечек, благодаря этому повышается эффективная мощность машины в целом.

В представленной выше машине в роторе 4 размещен рабочий блок, включающий в себя две секции, работающие в противофазе, и переходную камеру 11 между ними. Для повышения равномерности вращения ротора в корпусе его на общем валу можно расположить любое требуемое число таких блоков, при этом увеличится только длина двухопорного ротора 4, причем рабочие лопасти в блоках должны быть расположены с равномерным угловым сдвигом по отношению друг к другу.