RU2843916C1 - Роторный нагнетатель - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к нагнетательным установкам объемного типа. Роторный нагнетатель содержит статор 1 с переменной кривизной по периметру, с входными и выходными окнами 2, 3 и патрубками 4, 5, торцовые крышки статора 1, имеющие проточки с внутренней стороны и ступицы с наружной стороны, эксцентрично расположенный внутри статора цилиндрический ротор 12, включающий обечайку 13, плоскую прямоугольную лопасть 22 и торцовый диск, соединенный своей кромкой с кромкой обечайки 13 и своей плоской поверхностью с осесимметрично расположенным приводным валом, который насажен на подшипники, закрепленные в ступице одной из торцовых крышек. Ротор 12 имеет дополнительный торцовый диск, соединенный кромкой с кромкой обечайки 13 и своей плоской поверхностью с осесимметрично расположенной опорой, которая насажена на подшипники, закрепленные в ступице другой торцовой крышки. В роторе 12 в осевом направлении закреплены две параллельные пластины 20, образующие открытую с двух противоположных сторон щель 21 и разделяющие полость ротора 12 на два равных по величине герметичных объема. В щели 21 между пластинами 20 размещена с возможностью перемещения в диаметральном направлении лопасть 22. В выходном патрубке 5 установлен обратный клапан 23. Изобретение направлено на упрощение конструкции. 2 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к нагнетательным установкам объемного типа и может использоваться в вентиляторостроении и компрессоростроении.

Уровень техники

Нагнетатели объемного типа и, в частности, роторные с вращательным движением рабочего органа имеют ряд преимуществ перед нагнетателями других типов, что является одной из причин их широкого использования в технике. Например, известный ротационно-пластинчатый компрессор (Абдурашитов С.А., Тупенченков А.А., Вершинин И.М., Тененгольц С.М. Насосы и компрессоры. М.: Недра, 1974. С. 269 (рис. 12. 4)) имеет такие важные преимущества, как равномерность подачи перемещаемой среды, компактность, динамическую уравновешенность, сравнительно высокую производительность. Недостатком таких нагнетателей является износ пластин ротора и возможность их защемления при перемещениях в радиальных направлениях в пазах ротора.

В известном роторном компрессоре (Евразийский патент №005220, МПК F04C 18/344. Опубл. 2004.12.30) пластины ротора подвергаются износу в меньшей степени за счет дополнительной вращающейся втулки с продольными окнами, которая примыкает к поверхности цилиндрического статора и ограничивает прямое контактирование кромок пластин с этой поверхностью. Наличие дополнительной втулки усложняет конструкцию и уменьшает ее надежность. В процессе эксплуатации компрессора зазор между трущимися поверхностями вращающейся втулки и неподвижного цилиндрического статора увеличивается, возрастают перетоки перемещаемой среды между зонами нагнетания и всасывания.

В известном роторном нагнетателе (Касьянов В.М. Гидромашины и компрессоры. М.: Недра, 1979. С. 202 (рис. 32.1)) пластины ротора расположены в его пазах с наклоном в сторону вращения приводного вала, что снижает возможность защемления пластин при радиальных их перемещениях из-за более благоприятного направления результирующей силы, действующей на каждую пластину, по отношению к аналогичным устройствам с радиальным расположением пластин в пазах ротора. Недостатком является то, что ротор выполняется сплошным и массивным. Массивность ротора обусловливает повышенную его материалоемкость и повышенную токовую нагрузку на приводной электродвигатель при пуске в работу, так как требуется преодолевать большую силу инерции покоя массивного ротора. Накладывается ограничение на частоту вращения ротора из-за недопущения максимальной окружной скорости пластин величиной выше примерно 13 м/с, начиная с которой резко прогрессирует износ пластин.

В известном устройстве (RU 2371586 С2 (Ненашев В.И.), 27.10.2009, F01C 1/352) радиально расположенные в цилиндрическом корпусе лопасти имеют возможность совершать только вращательные движения. Эксцентрично расположенный в цилиндрическом корпусе кольцевой ротор имеет прорези для размещения в них лопастей. Устройство имеет сложную конструкцию, значительный износ контактирующих поверхностей кольцевого ротора и лопастей в прорезях, сохраняется опасность защемления лопастей.

Известен нагнетатель (GB 191025861 A (Vail Robert William), 07.12.1911, F04C 18/352) с эксцентрично расположенным внутри цилиндрического статора цилиндрическим ротором, обечайка которого имеет прорези с размещением в них плоских прямоугольных лопастей. В известном нагнетателе прорези на обечайке цилиндрического ротора с одной торцовой ее стороны открыты, что в условиях переменного по направлению механического взаимодействия обечайки и расположенных в ее прорезях плоских прямоугольных лопастей в процессе работы нагнетателя создает знакопеременные динамические напряжения, которые, например при возникшем защемлении лопастей, могут приводить к изгибу консольных элементов (лепестков) обечайки, расположенных между смежными прорезями, что снижает надежность работы устройства. Большое количество трущихся друг о друга элементов и большая их площадь трения в известном нагнетателе приводит к значительным потерям затрачиваемой на привод рабочего органа энергии, к быстрому износу трущихся элементов и опасности защемления плоских прямоугольных лопастей в прорезях обечайки.

Известен роторный лопастной нагнетатель, содержащий статор с входными и выходными окнами и патрубками, торцовые крышки статора, имеющие проточки с внутренней стороны и ступицы с наружной стороны, эксцентрично расположенный внутри статора цилиндрический ротор, включающий обечайку, нагнетательный рабочий орган в виде плоской прямоугольной лопасти и торцовый диск, соединенный своей кромкой с кромкой обечайки и своей плоской поверхностью с осесимметрично расположенным приводным валом, который насажен на подшипники, закрепленные в ступице одной из торцовых крышек статора (RU №2817259, МПК F04C 18/344, F04C 18/352. Опубл. 12.04.2024. Бюл. №11) - прототип. В известном нагнетателе ротор выполнен полым и имеет малую массу, что уменьшает токовую нагрузку приводного двигателя при пуске. Отсутствует прямой контакт кромок плоских прямоугольных лопастей с внутренней поверхностью стенок цилиндрического статора, что уменьшает их износ и затраты энергии на привод в процессе работы нагнетателя. Недостатками являются сложность конструкции, наличие большого количества подшипников, повышенные перетоки перемещаемой среды из зоны нагнетания в зону всасывания через прорези в обечайке ротора, а также консольное соединение цилиндрического ротора с приводным валом, что при действующих в процессе работы неуравновешенных динамических нагрузках на ротор может приводить к его вибрациям.

Раскрытие изобретения

Техническая проблема заключается в исключении недостатков, присущих прототипу.

Поставленная проблема решается тем, что роторный нагнетатель, содержащий статор с входными и выходными окнами и патрубками, торцовые крышки статора, имеющие проточки с внутренней стороны и ступицы с наружной стороны, эксцентрично расположенный внутри статора цилиндрический ротор, включающий обечайку, нагнетательный рабочий орган в виде плоской прямоугольной лопасти и торцовый диск, соединенный своей кромкой с кромкой обечайки и своей плоской поверхностью с осесимметрично расположенным приводным валом, который насажен на подшипники, закрепленные в ступице одной из торцовых крышек статора, выполнен с цилиндрическим ротором, имеющим дополнительный торцовый диск, соединенный кромкой с кромкой обечайки и своей плоской поверхностью с осесимметрично расположенной опорой, которая насажена на подшипники, закрепленные в ступице другой торцовой крышки статора, в цилиндрическом роторе в осевом направлении закреплены две параллельные пластины, образующие открытую с двух противоположных сторон щель и разделяющие полость ротора на два равных по величине герметичных объема, в щели между параллельными пластинами размещена с возможностью перемещения в диаметральном направлении плоская прямоугольная лопасть, внутренняя поверхность статора имеет переменную кривизну по периметру, в выходном патрубке установлен обратный клапан.

В отличие от известного устройства, выполнение роторного нагнетателя с цилиндрическим ротором, имеющим дополнительный торцовый диск, соединенный кромкой с кромкой обечайки и своей плоской поверхностью с осесимметрично расположенной опорой, которая насажена на подшипники, закрепленные в ступице другой торцовой крышки статора, устраняет консольность цилиндрического ротора. Повышается общая жесткость системы из соединенных между собой элементов приводной вал - торцовые диски - обечайка ротора. Все это способствует недопущению вибрационных режимов работы нагнетателя.

Закрепление в цилиндрическом роторе в осевом направлении двух параллельных пластин, образующих открытую с двух противоположных сторон щель и разделяющих полость ротора на два равных по величине герметичных объема, дает возможность минимизировать перетоки перемещаемой среды из зоны нагнетания в зону всасывания, так как устраняется присущее прототипу основное направление перетоков через прорези на обечайке ротора.

Размещение в щели между параллельными пластинами с возможностью перемещения в диаметральном направлении плоской прямоугольной лопасти, исполнение внутренней поверхности статора с переменной кривизной по периметру, позволяет устранить опасность защемления нагнетательного органа - лопасти, присущую многим конструкциям роторных нагнетателей. Внутренняя поверхность статора может выполняться, например, с двумя радиусами кривизны. К внутренней поверхности части статора с меньшим радиусом примыкает с минимальным зазором обечайка цилиндрического ротора. С частью статора с меньшим радиусом сопряжена другая часть статора с большим радиусом так, чтобы при любом положении плоской прямоугольной лопасти при вращении ротора в процессе работы нагнетателя противоположно расположенные кромки лопасти касались внутренней поверхности статора или имели с ней минимальный зазор. Перемещение плоской прямоугольной лопасти в щели между параллельными пластинами в диаметральном направлении вращающегося ротора здесь осуществляется не под влиянием центробежной силы, как в известных роторных нагнетателях, а из-за силового воздействия на лопасть со стороны поверхности статора при их контакте. По абсолютной величине данное силовое воздействие может быть значительно больше величины центробежной силы. Это обстоятельство полностью исключает защемление лопасти при ее движении в щели в предлагаемом нагнетателе. Переменная кривизна внутренней поверхности статора дает возможность разделить полость статора плоской прямоугольной лопастью при любом ее положении при вращении ротора на две обособленных части, имеющих необходимую газоплотность. При работе нагнетателя каждая из обособленных частей полости статора циклично, в противофазе друг другу, изменяет свой объем, обеспечивая протекание следующих последовательно процессов всасывания и сжатия перемещаемой среды.

Наличие в выходном патрубке обратного клапана (например, по патенту №2776985, РФ, МПК F16K 15/2. Опубл. 29.07.2022. Бюл. №22) обеспечивает однонаправленное движение сжатой перемещаемой среды в выходном патрубке, не допуская обратного ее движения в полость статора в процессе работы нагнетателя.

Таким образом, совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную проблему.

Технический результат состоит в упрощении конструкции, исключении опасности защемления лопасти, повышении эффективности работы и надежности нагнетателя.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показано поперечное сечение роторного нагнетателя; на фиг. 2 - сечение А-A на фиг. 1.

Обозначения на фигурах:

1 - статор;

2 и 3 - входные и выходные окна;

4и5 - входной и выходной патрубки;

6 и 7 - торцовые крышки статора;

8 и 9 - проточки в торцовых крышках статора;

10 и 11 - ступицы;

12 - цилиндрический ротор;

13 - обечайка ротора;

14 и 15 - торцовые диски ротора;

16- приводной вал;

17 и 19 - подшипники;

18 - опора;

20 - параллельные пластины;

21 - щель между пластинами;

22 - плоская прямоугольная лопасть;

23 - обратный клапан.

Осуществление изобретения

Роторный нагнетатель содержит статор 1 с входными 2 и выходными 3 окнами, входным 4 и выходным 5 патрубками. Торцовые крышки 6 и 7 цилиндрического статора 1 имеют соответственно проточки 8 и 9 с внутренней стороны и ступицы 10 и 11 с наружной стороны. Внутри статора 1 эксцентрично расположен цилиндрический ротор 12, включающий обечайку 13 и соединенные с ней кромками торцовый диск 14 и дополнительный торцовый диск 15, размещенные соответственно в проточках 9 и 8 торцовых крышек 7 и 6 статора 1. Торцовый диск 14 соединен своей плоской поверхностью с осесимметрично расположенным приводным валом 16, который насажен на подшипники 17, закрепленные в ступице 11 торцовой крышки 7 статора 1. Дополнительный торцовый диск 15 соединен своей плоской поверхностью с осесимметрично расположенной опорой 18, которая насажена на подшипники 19, закрепленные в ступице 10 торцовой крышки 6 статора 1. В цилиндрическом роторе 12 в осевом направлении закреплены две параллельные пластины 20, образующие открытую с двух противоположных сторон щель 21. В щели 21 между параллельными пластинами 20 размещена с возможностью перемещения в диаметральном направлении плоская прямоугольная лопасть 22. В выходном патрубке 5 установлен обратный клапан 23.

Роторный нагнетатель при перемещении сжимаемого газа работает следующим образом.

При вращении по часовой стрелке (см. фиг. 1) приводного вала 16, насаженного на подшипники 17 в ступице 11 торцовой крышки 7, крутящий момент через торцовый диск 14 передается на эксцентрично расположенный в статоре 1 ротор 12. При вращении ротора 12 расположенная между параллельными пластинами 20 плоская прямоугольная лопасть 22 за счет силового (толкательного) воздействия со стороны поверхности стенки статора 1 при контакте совершает возвратно-поступательные перемещения в щели 21 по диаметральным направлениям ротора и выступающими из щели 21 частями ометает заполненную перемещаемым газом серповидную полость внутри статора 1, образованную его стенкой и обечайкой 13 ротора 12. При этом прямоугольная лопасть 22 во всех своих возможных положениях практически полностью замыкает площадь сечения полости статора 1, в котором она находится в данный момент, и делит полость статора 1 на две обособленные части. Поступающий в полость через входной патрубок 4 и входные окна 2 газ за один оборот ротора 12 совершает цикл, состоящий из процессов всасывания и сжатия. В процессе сжатия газа (осуществляется в левой части серповидного пространства на фиг. 1, ограниченного лопастью) при достижении давления нагнетания открывается обратный клапан 23 и сжатый газ проталкивается через выходные окна 3, обратный клапан 23 и затем через выходной патрубок 5 удаляется из нагнетателя. Одновременно с сжатием газа идет процесс всасывания новой порции газа (осуществляется в правой части серповидного пространства на фиг. 1, ограниченного лопастью). Когда кромка лопасти 22 при вращении ротора 12 проходит участок поверхности статора 1, на котором расположены выходные окна 3, давление газа в области его сжатия в серповидной полости уменьшается и обратный клапан 23 закрывается, не давая возможности перетекать газу из выходного патрубка 5 назад в полость статора 1. Последующие обороты цилиндрического ротора 12 сопровождаются повторением описанных процедур. Таким образом, подача сжатого газа нагнетателем осуществляется в прерывистом режиме. При высокой частоте вращения ротора 12 амплитуды колебаний подачи и давления газа на выходе из нагнетателя будут минимальными. Возможность работы с высокой частотой вращения ротора 12 обеспечивается, в частности, наличием дополнительного торцового диска 15, соединенного своей плоской поверхностью с осесимметрично расположенной опорой 18, которая насажена на подшипники 19, закрепленные в ступице 10 торцовой крышки 6 статора 1. Ротор 12 имеет опоры с обоих сторон, что устраняет его консольность и в совокупности с параллельными пластинами 20, соединяющих кромки обечайки 13, увеличивает его жесткость и виброустойчивость.

Для повышения эффективности работы нагнетателя следует минимизировать зазоры между кромками плоской прямоугольной лопасти 22 и сопрягаемыми с ними элементами нагнетателя, плоскими поверхностями торцовых дисков 14 и 15 ротора 12 и торцовыми крышками 6 и 7 статора 1 в проточках 8 и 9, а также между образующими поверхностей ротора 12 и статора 1 в месте их наибольшего сближения. Уменьшение величины зазоров способствует снижению перетоков перемещаемой среды из зоны сжатия в зону всасывания.

Предлагаемый роторный нагнетатель имеет следующие преимущества по отношению к аналогам:

- конструктивная простота, технологичность изготовления;

- повышенная надежность;

- высокие напор и подача перемещаемой среды;

- уменьшенные удельные материалоемкость и энергозатратность.

Claims (1)

1. Роторный нагнетатель, содержащий статор с входными и выходными окнами и патрубками, торцовые крышки статора, имеющие проточки с внутренней стороны и ступицы с наружной стороны, эксцентрично расположенный внутри статора цилиндрический ротор, включающий обечайку, нагнетательный рабочий орган в виде плоской прямоугольной лопасти и торцовый диск, соединенный своей кромкой с кромкой обечайки и своей плоской поверхностью с осесимметрично расположенным приводным валом, который насажен на подшипники, закрепленные в ступице одной из торцовых крышек статора, отличающийся тем, что цилиндрический ротор имеет дополнительный торцовый диск, соединенный кромкой с кромкой обечайки и своей плоской поверхностью с осесимметрично расположенной опорой, которая насажена на подшипники, закрепленные в ступице другой торцовой крышки статора, в цилиндрическом роторе в осевом направлении закреплены две параллельные пластины, образующие открытую с двух противоположных сторон щель и разделяющие полость ротора на два равных по величине герметичных объема, в щели между параллельными пластинами размещена с возможностью перемещения в диаметральном направлении плоская прямоугольная лопасть, внутренняя поверхность статора имеет переменную кривизну по периметру, в выходном патрубке установлен обратный клапан.