Об’ємна роторна пневмомашина з шарнірним механізмом нагнітання

Винахід належить до пневмомашин роторного типу з шарнірним механізмом нагнітання, які можуть бути використані в якості компресорів та пневмомоторів в різноманітних галузях машинобудування. Відомий об'ємний роторний компресор (Патент США №3816038, кл. F01C3/00; F01C19/00; F04C27/00, опубл. 11.05.74), який містить дві основні корпусні деталі, жорстко з'єднані між собою, у яких виконані канали підводу та відводу, спільна сферична порожнина та дві циліндричні розточки під кутом одна до одної з осями, які перетинаються в точці, яка збігається з центром сферичної порожнини, ротор, розміщений у сферичній порожнині, який складається з привідної лопаті, виконаної разом з привідним валом, встановленим на підшипниковій опорі в одній циліндричній розточці, веденої лопаті, виконаної разом з веденою віссю та дисковою перегородкою, виконаної у вигляді плоского диска з закріпленими на ньому діаметрально крестообразно розташованими полупальцями, які входять у шарнірне з'єднання з лопатями з утворенням чотирьох камер змінного об'єму, причому у привідному валу, веденій осі, у лопатях та дискової перегородки виконані осьові канали, які з'єднують порожнини підшипникових опор, а обладнання для охолодження виконано у вигляді циліндричного кожуха, у якому розміщений компресор. Недоліком такого компресора є те, що дискова перегородка містить у собі два діаметрально розташовані полупальця, не може утримувати та передавати від привідної лопаті великих зусиль обертального моменту внаслідок малого кута обхвату поверхні полупальця сполученою поверхнею пазу лопаті внаслідок чого неможливо отримати високий тиск нагнітаємого робочого тіла. Конструкцій водяного охолодження мав велике число сполучених поверхней, які потребують герметизації, що знижує надійність. В якості прототипу прийнята об'ємна роторна пмевмомашина з шарнірним механізмом нагнітання (Заявка №65125196 від 08.12.95, кл. F01C3/00; F04C3/00, рішення про віддачу патенту України від 05.08.97), яка містить дві корпусні деталі, жорстко з'єднаних між собою по плоскості розніму, в кожній з яких є канали підводу та відводу, циліндричні розточки, розташовані під кутом один до одного та спільна сферична порожнина з центром, який збігається з точкою перетину осей 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 дисковою перегородкою з утворенням шарніру Гука та чотирьох камер змінного об'єму, причому привідна лопать закріплена на привідному валу, встановленому на підшипниковій опорі в одній цилиндричній розточці, а ведена лопать закріплена на веденій осі, яка встановлена на підшипниковій опорі у другій циліндричній розточці або встановлена на підшипниковій опорі на консольній осі, жорстко закріпленої у другій циліндричній розточці, а розподільні вікна на сферичній порожнині виконані з можливістю використання пневмомашини в якості компресора та пневмомотора. Недоліками такої пневмомашини є: можливість затирання та заклинювання сполучених поверхней деталей ротора, які труться, нагрів пневмомашини при тривалому нагнітанні газу під високим тиском, що приводить до зниження надійності пневмомашини; неможливість отримання двох незалежних потоків нагнітального газу, а також неможливість здійснення усисання газу через порожнини підшипникових опор, що знижує технічний рівень пневмомашини та обмежує сфери її використання у різноманітних галузях машинобудування. В основі цього винаходу поставлена задача удосконалення об'ємної роторної пневмомашини з шарнірним механізмом нагнітання, в якому за рахунок виконання каналів у дисковій перегородці, постачання пневмомашини клапанами нагнітання, сполучення порожнин підшипникових опор каналами з підводним (усисним) каналом, виконання двох нагнітальних каналів, постачання пневмомашини пристроєм охолодження забезпечується отриманням технічного результату, який містить в собі забезпечення змазки тертьових поверхней рухомих деталей, отриманні двох незалежних потоків нагнітаємого газу, можливості здійснення усисання через порожнини підшипникових опор валів, запобігання повернення стисненого газу в робочі камери з системи та охолодження пневмомашини, що підвищує надійність та ресурс пневмомашини, а також розширює сфери застосування в різноманітних галузях машинобудування. Поставлена задача досягається тим, що в об'ємній роторній пневмомашині з шарнірним механізмом нагнітання, яка вмістить дві корпусні деталі жорстко з'єднані між собою з каналами підводу та відводу, в кожній з яких виконана загальна сферична порожнина та циліндричні розточки, які розташовані під кутом один до одного з осями, які перетинаються в центрі сферичної порожнини, привідний вал, встановлений на підшипниковій опорі в циліндричній розточці, ведену вісь, встановлену на підшипниковій опорі або консольне закріплену в другій циліндричній розточці/ ротор, розміщений в сферичній порожнині та складений з привідної лопаті, закріпленої на веденій осі або встановленої на підшипниковій опорі на нерухомій консольній осі та дискової перегородки, шарнірно з'єднаній з лопатями з утворенням шарніру Гука та чотирьох камер змінного об'єму, ущільнень, розташованих у поздовжних, пазах між сергами шарнірного з'єднання, згідно з винаходом у дисковій перегородці ротора виконані, крестообразно розміщені отвори, а на внутрішніх торцях кожної серги виконані канавки, які сполучують хрестообразно розміщені отвори з днищем пазів під поздовжні ущільнення на лопатях з утворенням безперервного каналу, які сполучують порожнини підшипникових опор привідного валу та веденої осі, в нагнітальних каналах встановлені нагнітальні клапани, порожнини підшипникових опор привідного валу та веденої осі каналами сполучені з підводним (усисним) каналом, канал нагнітання від камер змінного об'єму, утворених привідною лопаттю виконаний роздільно від каналу нагнітання камер змінного об'єму, утворених веденою лопаттю, пневмомашина забезпечена пристроєм для охолодження у вигляді замкненої порожнини з каналами підводу та відводу для водяного охолодження та у вигляді ребер для повітряного охолодження. Крім того, пристрій для охолодження виконано у вигляді замкненої порожнини з каналами підводу та відводу рідини, розташованої у зоні найбільшого нагрівання, а також у вигляді ребер повітряного охолодження. Внаслідок використання заявляемого винаходу забезпечується получення технічного результату, який заключається в забезпеченні змазки поверхонь, що труться подвижних деталей, полученні двох незалежних потоків нагнітального газу, можливості здійснення усисання через порожнини підшипникових опор валів, попередження повернення стисненого газу у робочі камери з системи та охолодження пневмомашини, що підвищує надійність та ресурс пневмомашини, а також розширює сфери застосування в різноманітних галузях машинобудування. Від прототипу заявляємий винахід відрізняється тим, що у дисковій перегородці ротора виконані хрестообразно розміщені отвори, а на внутрішніх торцях кожної серги виконані канавки, які сполучують хрестообразно розміщені отвори з днищем поздовжних пазів під ущільнення між сергами з утворенням безперервного каналу, який сполучує порожнини підшипникових опор привідного валу та веденої осі, у нагнітальних каналах встановлені нагнітальні клапани, порожнини підшипникових опор привідного валу та веденої осі каналами сполучені з підводним (усисним) каналом, канал нагнітання від камер змінного об'єму, утворених привідною лопаттю виконаний роздільно від каналу нагнітання камер змінного об'єму, утворених веденою лопаттю, пневмомашина забезпечена пристроєм для охолодження. Між суттєвими відмінними ознаками заявляємого винаходу та досягаємим технічним результатом є наступний причин-но-наслідковий зв'язок. Виконання в дисковій перегородці хрестообразно розміщених отворів, а на внутрішніх торцях кожної серги канавок, які сполучують хрестообразно розміщених отворів з днищем пазів під поздовжні ущільнення, дозволяє здійснити безперервний проточний зв'язок порожнин підшипникових опор привідного валу та веденої осі, забезпечити циркуляцію змазувальної рідини між порожнинами та змазку підшипникових опор привідного валу та веденої осі, а також змазку шарнірного з'єднання деталей ротора, що сприяє збільшенню надійності та ресурс пневмомашини. Пристрій нагнітальних клапанів у нагнітальних каналах дозволяє запобігти повернення нагнітаємого стисненого газу з системи у робочі камери у момент їх початку з'єднання з каналом відводу, коли в них ще не досяг тиск своєї межі, що дозволяє раціонально забезпечити використання об'єму робочих камер та знизити шум пневмомашини. Виконання підводного (усисного) каналу з'єднаним каналом з порожнинами підшипникових опор привідного валу та веденої осі дозволяє здійснити усисання газу, який має включення змазувальної рідини, через підшипникові опори, виключити спеціальний пристрій для змазки, спростити конструкцію та розширити сфери використання пневмомашини, наприклад, у холодильних машинах. Виконання двох незалежних каналів нагнітання від робочих камер привідної лопаті та від робочих камер веденої лопаті дозволяє отримати два незалежних потока стисненого газу, що спрощує конструкцію джерела стисненого газу та розширює сфери використання в різноманітних галузях промисловості. Виконання пневмомашини з пристроєм охолодження у вигляді замкненої порожнини для водяного охолодження або у вигляд! ребер для повітряного охолодження дозволяє підтримувати температуру в допустимих межах, що сприяє збільшенню надійності, Суть винаходу пояснюється кресленням, де на фіг.1 зображений поздовжній розріз пневмомашини з веденою віссю, жорстко закріпленою у циліндричній розточці; на фіг.2 - поздовжній розріз по горизонтальній осі з веденою віссю на підшипниковій опорі; на фіг.3 - поздовжній розріз без розрізу ротора. Об'ємна роторна пневмомашина з шарнірним механізмом нагнітання складається з двох корпусних деталей 1 і 2 жорстко з'єднаних між собою по плоскості розніму з каналами підводу 3 та відводу 4, в кожній корпусній деталі виконана спільна сферична порожнина 5 та циліндричні розточки, розташовані під кутом один до одного з осями, які перетинаються у центрі сферичної порожнини. В одній циліндричній розточці встановлено привідний вал 6 на підшипниковій опорі 7, в іншій циліндричній розточці встановлена ведена вісь 8 на підшипниковій опорі 9 (фіг.2) або консольно закріплена 10. У сферичній порожнині 5 розміщений ротор, який складається з привідної лопаті 11, закріпленої на привідному валу 6, веденої лопаті 12, закріпленої на веденій осі 8 або встановленої на підшипникових опорах 13 і 14 на нерухомій консольній осі 10 та дискової перегородки 15, шарнірно з'єднаної з лопатями з утворенням шарніру Гука та чотирьох камер змінного об'єму 16, 17, 18 і 19. У привідної лопаті 11 між сергами 20 і 21 виконано паз 22, в якому розміщено поздовжнє ущільнення 23, а у веденій лопаті 12 між сергами 24 і 25 виконано паз 26, в якому розміщено поздовжнє ущільнення 27. У тілі поздовжних ущільнень 23 і 27 з боку днища виконані поглиблення, які утворюють канали. На внутрішніх торцях кожної серги привідної лопаті 11 виконані канавки 28 і 29, а на веденій лопаті виконані канавки 30 і 31. В дисковій перегородці виконані хрестообразно розміщені отвори 32 і 33, осі яких перетинаються у центрі ротора. Причому отвір 32 має сполучення з каналом у днищі пазу 22 за допомогою канавок 28 і 29 на внутрішніх торцях кожної серги 20 і 21 привідної лопаті 11, а отвір 33 має сполучення з каналом у днищі пазу 26 веденої лопаті 12 за допомогою канавок 30 і 31 на внутрішніх торцях серги 24 і 25. Канал у днищі пазу 22 отворами 34 135 сполучається з порожниною 36 підшипникових опор привідного валу, який має вхідний отвір 37, а канал у днищі пазу 26 отворами 38 і 39 має сполучення з порожниною 40 підшипникових опор веденої осі та з вихідним отвором 41, який утворює безперервний канал, який сполучує порожнини підшипникових опор привідного валу і веденої осі. На привідній 11 і веденій 12 лопатях встановлені розрізні ущільнювальні кільця 42, поздовжні сегментні ущільнення 43 та ущільнювальні елементи 44, а на дисковій перегородці встановлені сегменти 45, розміщені між сергами лопатей і які стикаються з ущільнювальними елементами 44. У залежності від функціональних назначень пневмомашини у каналах нагнітання від робочих камер привідної 11 або веденої 12 лопаті встановлені клапани нагнітання 46. У залежності від функціональних назначень пневмомашини канал нагнітання 47 від робочих камер привідної лопаті 11 виконаний роздільно від каналу нагнітання 48 від робочих камер веденої лопаті 12. Канали підводу можуть бути також виконані роздільно. У залежності від змазуючих властивостей нагнітального газу, його усисання у робочі камери здійснюється через порожнини підшипникових опор 36 і 40 з'єднаних каналами 49 і 50 з підводним каналом 3. У залежності від умов експлуатації пневмомашини вона забезпечена пристроєм охолодження, виконаним на зовнішній поверхні корпусних деталей у вигляді замкненої порожнини 51 з підводним та відводним отворами 52 і 53 у кришці 54 для циркуляції охолоджуючої рідини або у вигляді ребер 55 для повітряного охолодження. Робота об'ємної роторної пневмомашини з шарнірним механізмом нагнітання здійснюється як у режимі компресора, так і у режимі пневмомотора. Робота об'ємної роторної пневмомашини з шарнірним механізмом нагнітання у режимі компресора відбувається наступним способом. При обертанні привідного валу 6 обертається привідна лопать 11. Це обертання, завдяки шарнірному з'єднанню, виконаному у вигляді двох діаметрально розташованих серг 20 і 21, які входять у діаметрально розтатошовані проушини на дисковій перегородці 15, передається на дискову перегородку, а з дискової перегородки обертання передається на ведену лопать 12, яка зв'язана з дисковою перегородкою аналогічним шарнірним з'єднанням, розташованим під прямим кутом по відношенню до першого шарнірного з'єднання та утворено сергами 24 і 25, які входять у відповідні проушини на дисковій перегородці. При цьому ведена лопать обертається на підшипникових опорах 13 і 14 або спільно з привідною віссю 8 на підшипникових опорах 9. Завдяки нахилу веденої осі 8 або 10 по відношенню до привідного валу 6, дискова перегородка 15 крім обертального здійснює поворотно-коливальний рух, в наслідок чого змінюються об'єми робочих камер, утворені як привідною лопаттю 18 і 19, так і веденою лопаттю 16 і 17. При збільшенні об'єму кожна робоча камера має сполучення з підводним каналом 3, здійснюється заповнення камер робочим тілом, а при зменшенні об'єму робочих камер вони мають сполучення з відводним каналом 4, здійснюється витиснення стисненого робочого тіла. При цьому в залежності від призначення у відводних каналах встановлені клапани нагнітання 46, а самі канали з'єднані в загальний 4 з єдиним виходом або виконані роздільно 47 і 48 з утворенням двох незалежних нагнітальних потоків під рівним або різним тисненням. Для герметизації кожної камери по зазорам між сполучаємими поверхнями при нагнітанні робочого тіла під високим тиском, з метою зменшення об'ємних витрат у вигляді перепікання, ротор забезпечений ущільненими кільцями 42, поздовжніми сегментними ущільненнями 43, ущільнювальними елементами 44, сегментними ущільненнями 45 та поздовжніми ущільненнями 23 і 27. Ущільнення розміщені на сферичній поверхні деталей ротора, при обертанні ротора піджимаються до поверхні сферичної порожнини під дією центробіжних сил. При обертанні ротора змазка сполучених поверхней ротора, які здійснюють відносне переміщення, відбувається таким чином. Змазуюча рідина поступає, наприклад, по отвору 37 в порожнину підшипникових опор 36, змазуючи підшипникові опори 7, по каналу 35 і отвору 34 у канал 22 і канавки 28 і 29, змазуючи поверхні внутрішніх торців серги 20 і серги 21. Проникаючи по зазорам, вона змазує сполучені циліндричні поверхні кожної серги і проушини, які утворюють шарнірне з'єднання, і частково виходить на сферичну поверхню ротора змазуючи її. З канавок 28 і 29 рідина по отворам 32 і 33, поступає в канавки 30 і 31 аналогічно змазуючи сполучені поверхні кожної серги 24 і 25, а основна маса по каналу 26, отворам 38 і 39 поступає в порожнину підшипникової опори 40, змазуючи підшипникові опори 9, 13 і 14. Відпрацьована та нагріта рідина відводиться через отвір 41. Якщо нагнітаємий газ має в собі рідину у вигляді аерозолі, яка володіє змазуючою властивістю, то підвод такого газу утворюється через порожнини підшипникових опор, наприклад, по отвору 37 в порожнину 36, де газ спільно з включеною аерозоллю змазує підшипникові опори 7, потім по каналу 49 в корпусній деталі надходить в канал підводу 3 та на усисання у розширені робочі камери. Аналогічно такий газ надходить у другу порожнину 40 та по каналу 50 у канал підводу 3. При стисненні газу відбувається підвищення його температури з нагрівом деталей компресору. Найбільший нагрів деталей відбувається у зоні найменших об'ємів нагнітального газу, тобто у зоні його витискування. Для охолодження деталей компресор забезпечений пристроєм охолодження, яке виконано у залежності від умов його експлуатування у вигляді замкненої порожнини 51 з підводними та відводними отворами 52 і 53 для водяного охолодження або у вигляді ребер 55 для повітряного охолодження. Робота об'ємної роторної пневмомашини у режимі пневмомотору відбувається таким чином. Стиснене повітря або інший газ підтиском підводиться у канал 4, який повинен бути вільним від нагнітальних клапанів 46. Потім він надходить у робочі камери з мінімальним об'ємом. Під дією зусиль тиску газу об'єм робочих камер збільшується, здійснюючи роботу руха дискової перегородки 15, яка завдяки шарнірному з'єднанню деталей ротора трансформується в обертальний рух ротора та привідного валу. Відпрацьований газ витісняється по каналу 3. При розширенні газу температура його знижується, тому пневмомотори не мають пристрій для охолодження. Для ефективного використання енергії стисненого газу об'єм надходячого у робочу камеру стисненого газу, повинен бути рівним, в його свободному стані, максимальному об'єму робочої камери. Пропонована об'ємна роторна пневмомашина з шарнірним механізмом нагнітання може бути використана в різноманітних галузях машинобудування, її перевага в порівнянні з існуючими поршневими аналогами заключаются у зменьшеної у 1,5 - 2 рази ваги, у відсутності вібрації, у можливості отримання двох незалежних потоків нагнетаемого робочого тіла, у високій надійності та ресурсі.