Багатосекційний роторний компресор

Винахід належить до компресорів роторного типу для нагнітання стиснутого повітря та інших газів під високим тиском і може бути використано в різноманітних галузях промисловості. Відома об'ємна роторна пневмомашина є шарнірним механізмом нагнітання (Заявка України №95125196, кл. F01C3/00, F04C3/00, 08.12.95), яка містить дві корпусні деталі, жорстко з'єднані між собою по площині розніму, в кожній з яких є канали підводу та відводу, циліндричні розточки, розташовані під кутом один до одного та спільна сферична порожнина з центром, що збігається з точкою перетину вісей циліндричних розточок, ротор, розміщений у сферичній порожнині, який складається з дискової перегородки та двох лопатей, розташованих по обидва боки дискової перегородки та шарнірно з'єднаних з дисоковою перегородкою з утворенням шарніру Гука та чотирьох камер змінного об'єму, причому, одна лопать, приводна, жорстко закріплена на привідному валу, а друга, ведена, на веденому валу або встановлена на підшипниковій опорі на консольній осі, дві ущільнювальні втулки, встановлені в циліндричних розточках та прилеглих к торцям лопатей, а на сферичних ущільнювальних поверхнях кожної лопаті виконані по два діаметрально розташованих нагнітальних вікна, з'єднаних каналами в тілі самих лопатей з камерами змінного об'єму, а нагнітальні та усисні вікна на поверхні сферичної порожнини виконані асиметрично нейтральному положенню лопатей при використанні такої пневмомашини в режимі компресора. Недоліком такого компресора'є те, що при нагнітанні робочого тіла (повітря або інших газів) під високим тиском у шарнірному з'єднанні деталей ротора виникають великі зусилля, негативно впливаючі на надійність компресора, тому такі компресори призначені для використання їх переважно в гальмових системах транспортних машин на тиск 0,8МПа. Відома об'ємна роторна пневмогідромашина (Заявка України №96103764, кл. F01C3/00, F04C3/00, 01.10.96), яка містить дві корпусні деталі, жорстко з'єднані між собою по площині розніму, в кожній з яких є спільна сферична порожнина та циліндричні розточки, розташовані під кутом один до одного з вісями, точка перетину яких збігається з центром сферичної порожнини, приводний та ведений вали, встановлені в циліндричних розточках, ротор, розташований у сферичній порожнині, який складається з привідної лопаті, встановленої на приводному валу, яка виконана у вигляді диску, веденої лопаті, виконаній у вигляді кульового клину, встановленої на осі веденого валу або на підшипникових опорах на нерухомій консольній осі, а також з проміжного пальця, з'єднаних між собою з утворенням шарнірного з'єднання та двох робочих камер змінного об'єму, причому, проміжний палець виконаний у вигляді нерухомого елементу на плоскому торці привідної лопаті або на веденій лопаті. Недоліком такої пневмомашини при використанні її в якості компресору для нагнітання робочого тіла під високим тиском у шарнірному з'єднанні деталей ротора виникають високі зусилля, негативно впливаючи на надійність компресора, тому такі компресори переважно використовують у гальмових системах транспортних машин та інших галузях на тиск 0,8МПа. В якості прототипу прийнята конструкція багатосекційного насосу (Патент ФРН №878755, кл. 59e група 8оч, 1953), який вмістить дві корпусні деталі, жорстко з'єднані по поздовжній площині розніму, в яких виконані зовнішні канали підводу та відводу послідовно, що з'єднують кожну секцію, циліндричні розточки під кутом одни до одного; між якими є сферичні порожнини з центрами, які збігаються з точками перетину вісей циліндричних розточок, приводний, проміжні та ведений вали, встановлені на підшипникових опорах у циліндричних розточках, ротори, розміщені в сферичних порожнинах, кожний з яких складається з дискової перегородки та двох лопатей шарнірно з'єднаних між собою з утворенням чотирьох робочих камер змінного об'єму, причому, лопаті закріплені на привідному, проміжних та ведених валах, а робочі камери всіх роторів мають рівні об'єми. Недоліком такого пристрою при використанні його в якості компресора є неможливість ступінчатого підвищення тиску пружного робочого тіла шляхом ступінчатого зменшення об'єму (ступінчатого стиснення) внаслідок того, що об'єм робочої камери ротора попередньої секції дорівнює об'єму робочої камери наступного ротора наступної секції, а при таких умовах стиснене пружне робоче тіло, нагнітаюче з робочої камери попередньої секції, надходячи по каналу підводу в розширюючий об'єм робочої камери наступної секції, буде розширюватися, при цьому тиск буде падати до тиску рівного на вході в першу секцію, тобто робота буде неефективною і такий багатосекційний пристрій не зможе забезпечити отримання високого тиску, нагнітаємого робочого тіла шляхом ступінчатого підвищення тиску за рахунок ступінчатого його стиснення в кожній секції. В основу цього винаходу поставлена задача удосконалення багатосекційного роторного компресора з двох- та чотирьохкамерним шарнірним механізмом нагнітання (ротором) шляхом послідовного ступінчатого збільшення тиску в кожній наступній секції, що дозволяє при малих зусиллях, діючих у деталях ротора кожної секції, досягти кінцевого високого тиску нагнітання, підвищити надійність, а також зменшити вагу та габаритні розміри компресора. Поставлена задача досягається тим, що в багатосекційному роторному компресорі, що вмістить корпусні деталі, жорстко з'єднані між собою по площині розніму, в кожній з яких є канали підводу та відводу, а також циліндричні розточки, розташовані під кутом один до одного та сферичні порожнини з центрами, збігаючими з точками перетину вісей циліндричних розточок, приводний, проміжний(і) та ведений вали, встановлені на підшипникових опорах у циліндричних розточках, два або більш двох-або чотирьохкамерних роторах, розміщених у сферичних порожнинах та складених з дискової перегородки та лопаті(ей), шарнірно з'єднаних між собою з утворенням робочих камер змінного об'єму та закріплених на валах, згідно винаходу об'єм робочих камер ротора кожної наступної секції менший за об'єм робочих камер ротора кожної попередньої секції, а також об'єм кожної робочої камери ротора наступної секції дорівнює об'єму витісненого стисненного робочого тіла з робочої камери ротора попередній секції, а початок витіснення з робочої камери ротора попередній секції збігається з початком заповнення робочої камери ротора наступної секції. Від прототипу заявляємий винахід відрізняється тим, що: - об'єм робочих камер ротора кожної наступної секції менший за об'єм робочих камер ротора кожної попередньої секції; - об'єм кожної робочої камери ротора наступної секції дорівнює об'єму витісненого стисненного робочого тіла з робочої камери ротора попередньої секції; кутове положення кожного ротора орієнтовано так, що початок витіснення з робочої камери ротора попередньої секції збігається з початком заповнення робочої камери ротора наступної секції. У результаті використання заявленого винаходу забезпечується одержання технічного результату, що заключається в забезпеченні ступінчатого підвищення тиску та доведення його до високого тиску при малих зусиллях у деталях ротора еквівалентних зусиллям тиску кожної ступені, внаслідок чого зменшується вага та габаритні розміри компресора. Між суттєвими відмінними ознаками заявляемого винаходу та досягаємим технічним результатом існує такий причинно-наслідковий зв'язок. Виконання об'єму робочих камер ротора кожної наступної секції менший за об'єм робочих камер ротору кожної попередньої секції приводить до отримання ступінчатого підвищення тиску та доведення його до високого тиску при малих зусиллях у деталях ротора еквівалентних зусиллям тиску кожної ступені. Внаслідок чого зменшується вага та габаритні розміри компресора. Виконання об'єму кожної робочої камери ротора наступної секції рівного об'єму витісняємого стисненного робочого тіла з робочої камери ротора попередньої секції та орієнтація кутового положення кожного ротора так, що початок витіснення з робочої камери ротора попередньої секції збігається з початком заповнення робочої камери ротора наступної секції забезпечує стиснення нагнітаємого робочого тіла без проміжного його розширення, яке утворює пульсацію видатку та тиску, негативно впливаючих на надійність та ресурс усього компресора. На фіг.1 зображено багатосекційний роторний компресор, наприклад, з двома секціями, з чотирьохкамерними роторами в кожній секції; на фіг.2 - трьохсекційний компресор з двокамерними роторами. Кожний багатосекційний роторний компресор складається з корпусної деталі 1 першої секції, проміжних корпусних деталей 2 та корпусної деталі 3 кінцевої секції, які жорстко з'єднані між собою по площині розніму. В кожній корпусній деталі є циліндричні розточки, розташовані під кутом один до одного та сферичні порожнини 3 центром збігаючим з точкою перетину вісей циліндричних розточок та лежачих у площині розніму корпусних деталей. В циліндричних розточках на підшипникових опорах встановлені приводний 4, проміжний(і) 5 та ведений 6 вали. Кількість проміжних валів на одиницю менш числа секцій. В сферичних порожнинах розміщені ротори, які мають бути виконані чотирьохкамерними або двокамерними. Чотирьохкамерні ротори (фіг.1) складаються з дискової перегородки 7, привідної лопаті 8 та веденій лопаті 9, шарнірно з'єднаних між собою з утворенням шарніру Гука. На кресленні (фіг.1) показані видимі дві камери 10 та 11, розташовані по обидві сторони веденій лопаті 9 кожного ротора, одна з яких 10 зображена в положенні максимального об'єму, а друга 11 - в положенні мінімального об'єму. Дві інші камери, розташовані по обидві сторони привідної лопаті 8 на кресленні невидимі. Приводні лопаті закріплені на приводному 4 та на проміжному валу 5, а ведені лопаті - на проміжному 5 та кінцевому веденому валу 6. Число роторів у компресорі дорівнює числу секцій. Двокамерний ротор (фіг.2) складається з приводного диску 12, встановленого на підшипниковій опорі на схильному пальці 13, жорстко закріпленому на привідному валу 4 або на проміжному валу 5, а також з веденій лопаті 14. яка встановлена на валах 5 та 6. Приводний диск 12 з лопаттю 14 шарнірно з'єднаний за допомогою діаметрального пальця 15, виконаного, наприклад, на лопаті 14. Привідний диск 12 з лопаттю 15 утворюють дві робочі камери 16 та 17, розташовані по обидві сторони лопаті 14, одна з яких 16 зображена в положенні максимального об'єму, а друга 17 - в положенні мінімального об'єму. В корпусних деталях виконані канали 18 та 19 підводу робочого тіла в першу секцію, канали 20 та 21 з'єднуючі робочі камери попередньої секції з наступною та канали 22 відводу. Канали 20 та 21 мають бути виконані як внутрішніми 20 у тілі корпусних деталей, так і зовнішніми 21 з підключеним пристроєм 23 для охолодження стисненного робочого тіла. Розмір кожного ротора виконаний таким чином, що об'єм (максимальний об'єм) робочої камери кожного ротора наступної секції менший за об'єм робочої камери ротора попередньої секції та, переважно, дорівнює об'єму робочого тіла, витісненого під тиском з робочої камери ротора попередньої секції, що досягається діаметральними розмірами роторів або нерівністю кутів нахилу вісей суміжних валів b > b 1 > ... (фіг.2) при рівних діаметральних розмірах роторів. Кутове положення кожного ротора орієнтовано так, що початок витіснення робочого тіла з робочої камери ротора попередньої секції збігається з початком заповнення робочої камери ротора наступної секції. Робота багатосекційного компресора відбувається таким чином. При обертанні привідного валу 4 від зовнішнього джерела енергії, обертається приводна лопать 8 (фіг.1) або приводний диск 12 (фіг.2). Це обертання, завдяки шарнірному з'єднанню, передається на дискову перегородку 7, а потім на ведену лопать 9 або безпосередньо на ведену лопать 14 у двокамерному роторі. Через проміжні вали 5 до обертання приводяться наступні ротори. При обертанні кожного ротора, диски 7 або 12 виконують поворотно-коливанний рух відносно вісей шарнірних з'єднань, завдяки чому відбувається зміна об'ємів робочих камер. У розширюючу робочу камеру робоче тіло надходить по вхідним каналам 18 та 19 першої секції, а з зменшуючої в об'ємі робочої камери першої та наступних секцій робоче тіло під тиском по каналам 20 або 21 поступає в відповідну розширяючую робочу камеру ротора наступної секції, при необхідності охолоджуючись у охолоджувачі 23. Таким чином, стиснення та підвищення тиску робочого тіла проходить ступінчато, в кожній секції на визначену величину. На виході, досягаючи заданого високого тиску, робоче тіло витісняється з компресора через від водящий канал 22. Багатосекційний роторний компресор у пропонованих конструктивних виконаннях можливо використовувати в різноманітних галузях промисловості, де потребується отримання високого тиску повітря або інших газів. При цьому, пропоновані багато-секційні компресори перевершують існуючі поршневі аналоги по ваговим характеристикам у 3 - 5 разів при високій надійності.