Об’ємна роторна пневмомашина з шарнірним механізмом нагнітання, переважно, чотири- та двокамерна

Изобретение относится к объемным роторным четырех- и двухкамерным пневмомашинам с шарнирным механизмом нагнетания, которые можно использовать в качестве компрессоров для нагнетания сжатого воздуха или других газов в системы потребителей и в качестве пневмомоторов для привода рабочих органов вращательного движения при использовании энергии сжатого воздуха и других газов В качестве прототипа принята конструкция объемной роторной пневмогидромашины [1], содержащая две корпусные детали, жестко соединенные между собой по плоскости разъема, в каждой из которых имеются каналы всасывания и нагнетания, а также цилиндрические расточки, расположенные под углом друг к другу, и общая сферическая полость с центром, совпадающим с точкой пересечения цилиндрических расточек, приводной вал и консольную ось, установленные в цилиндрических расточках, ротор, размещенный в сферической полости и состоящий из дисковой перегородки и двух лопастей, расположенных по обе стороны дисковой перегородки и шарнирно соединенных с дисковой перегородкой с образованием шарнира Гука и четырех камер переменного объема, причем, одна лопасть, приводная, жестко закреплена на приводном валу, а др угая, ведомая, установлена на подшипниковой опоре на консольной оси, две уплотнительные втулки, установленные в цилиндрических расточках и примыкающих к торцам лопастей. Недостаток такой пневмомашины заключается в том, что при ее работе в режиме компрессора в каждую рабочую камеру, после завершения в ней процесса всасывания и сообщения ее с нагнетательным каналом, газ под давлением из системы потребителя перетекает в рабочую камеру, сжимает находящийся в ней поступивший при всасывании газ до давления равного давлению в системе, после этого происходит вытеснение в систему общего объема газа из уменьшающейся в объеме рабочей камеры. Недостаток такой пневмомашины в режиме пневмомотора заключается в том, что газ из системы под давлением поступает в рабочую камеру с момента сообщения рабочей камеры с каналом подвода до сообщения ее с каналом отвода, после чего из рабочей камеры с максимальным объемом газ под давлением вытесняется наружу, не совершая полезной работы, что отрицательно отражается на КПД пневмомотора. Указанные недостатки пневмомашины при ее работе в режиме компрессора и пневмомотора снижают КПД, вызывают повышенную вибрацию и шум. В основу настоящего изобретения поставлена задача усовершенствования объемной роторной пневмомашины с шарнирным механизмом нагнетания, в которой при ее работе в режиме компрессора, сообщение рабочей камеры с каналом отвода осуществляется только после достижения в рабочей камере заданного давления, что предотвращает обратное перетекание из системы газа под давлением в рабочую камеру, а при работе в режиме пневмомотора вытеснение отработанного газа осуществляется после его расширения в замкнутом объеме рабочей камеры, и за счет этого повышается КПД, уменьшается вибрация и шум пневмомашины, в которой также улучшается герметизация рабочих камер переменного объема. Технический результат достигается тем, что в объемной роторной четырех- и двухкамерной пневмомашине с шарнирным механизмом нагнетания, содержащей две корпусные детали, жестко соединенные между собой с каналами подвода и отвода, в каждой из которых выполнена общая сферическая полость и цилиндрические расточки, расположенные под углом друг к другу с осями, пересекающимися в центре сферической полости, приводной вал, установленный на подшипниковой опоре в одной цилиндрической расточке, ось, установленная на подшипниковой опоре или консольно закрепленная в другой цилиндрической расточке, ротор, размещенный в сферической полости и состоящий из приводной лопасти, установленной на приводном валу, ведомой лопасти, установленной на оси, промежуточного элемента в виде дисковой перегородки в четырехкамерной пневмомашине или в виде диаметрального пальца на ведомой лопасти в двухкамерной пневмомашине, соединенных между собой с образованием шарнирного соединения и камер переменного объема, а также из элементов уплотнительных звеньев на сферической поверхности ротора, согласно изобретению нагнетательные окна в роторе выполнены на боковых поверхностях лопастей в виде пазов, а каждое нагнетательное окно на поверхности сферической полости в корпусе выполнено перекрытым сферической поверхностью лопасти. В каждом стыке сопрягаемых уплотнительных звеньев боковая поверхность одного уплотнительного звена перекрывает глубину паза другого уплотнительного звена. Нагнетательные окна на поверхности сферической полости расположены с возможностью сообщения с нагнетательными окнами (пазами) на роторе после достижения в рабочей камере заданного давления в режиме компрессора или разобщения с нагнетательными окнами на роторе после поступления в рабочую камеру сжатого газа, объем которого в свободном состоянии равен максимальному объему рабочей камеры, в режиме пневмомотора. На сферической поверхности каждой серьги на лопасти установлены два уплотнительных полукольца по обе стороны продольного уплотнительного звена. На дисковой перегородке установлены полукольца вокруг каждой серьги сопрягаемых лопастей. На боковой поверхности уплотнительного кольца приводной лопасти выполнены дугообразные выемки, охватывающие поверхность диаметрального пальца на ведомой лопасти. Заявляемое техническое решение по сравнению с прототипом имеет семь новых признаков: 1. Нагнетательные окна в роторе выполнены на боковых поверхностях лопастей в виде пазов. 2. Каждое нагнетательное окно на поверхности сферической полости в корпусе выполнено перекрытым сферической поверхностью лопасти. 3. В каждом стыке сопрягаемых уплотнительных звеньев боковая поверхность одного уплотнительного звена перекрывает глубину паза другого уплотнительного звена. 4. Нагнетательные окна на поверхности сферической полости расположены с возможностью сообщения с нагнетательными окнами (пазами) на роторе после достижения в рабочей камере заданного давления в режиме компрессора или разобщения с нагнетательными окнами на роторе после поступления в рабочую камеру сжатого газа, объем которого в свободном состоянии равен максимальному объему рабочей камеры, в режиме пневмомотора. 5. На сферической поверхности каждой серьги на лопасти установлены два уплотнительных полукольца по обе стороны продольного уплотнительного звена. 6. На дисковой перегородке установлены уплотнительные полукольца вокруг каждой серьги сопрягаемых лопастей. 7. На боковой поверхности уплотнительного кольца приводной лопасти выполнены дугообразные выемки, охватывающие поверхность диаметрального пальца на ведомой лопасти. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствуе т критерию ""новизна". Совокупность отличительных от прототипа признаков заявляемого изобретения "объемная роторная четырех- и двухкамерная пневмомашина с шарнирным механизмом нагнетания" совместно с ограничительными признаками является достаточной во всех случая х, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны. Первый признак позволяет выполнить нагнетательный канал на лопасти с минимальным мертвым пространством рабочей камеры, что положительно влияет на объем КПД компрессора и упрощает конструкцию. Второй и четвертый признаки позволяют разобщать рабочую камеру с нагнетательным каналом в корпусе на период сжатия поступившего в рабочую камеру газа до заданного давления и предотвратить обратное поступление нагнетаемого газа в рабочую камеру из системы в начале уменьшения объема рабочей камеры, при работе пневмомашины в режиме компрессора, а также дозировать поступление в рабочую камеру сжатого газа из системы при работе пневмомашины в режиме пневмомотора, что повышает объемный КПД и уменьшает шум и вибрацию пневмомашины. Третий признак позволяет разобщить зазоры по пазам уплотнительных элементов на роторе и предотвратить, тем самым, перетекание газа из полости нагнетания в полость низкого давления. Пятый, шестой и седьмой признаки герметизируют рабочие камеры по наружной поверхности шарнирного соединения, что повышает объемный КПД пневмомашины. В совокупности все семь признаков уменьшают объемные потери, повышая КПД, уменьшают вибрацию и шум пневмомашины. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен продольный разрез четырехкамерной пневмомашины в двух конструктивных исполнениях установки ведомой лопасти; на фиг.2 ротор двухкамерной пневмомашины; на фиг.3 - проекция лопасти, подводного и отводного окон на плоскость, перпендикулярную оси вращения лопасти; на фиг.4 - места I фиг.1 и 2: на фиг. 5 и 6 -сечение по А-А фиг. 4; на фиг.7-12 - уплотнительные элементы по наружной поверхности шарнирных соединений ротора. Объемная роторная пневмомашина с шарнирным механизмом нагнетания (фиг.1 и 2) состоит из двух корпусных деталей 1 и 2, жестко соединенных между собой, в которых выполнена общая сферическая полость и две цилиндрические расточки, расположенные под углом друг к другу с осями, пересекающимися в центре сферической полости. В цилиндрической расточке корпусной детали 1 четырехкамерной пневмомашины (фиг.1) установлен приводной вал 3 на подшипниковой опоре 4 или приводной вал 5 в двухкамерной пневмомашине (фиг.2). В цилиндрической расточке корпусной детали 2 установлена ось 6 на подшипниковой опоре 7 или консольная ось 8, жестко закрепленная в этой расточке. В сферической полости размещен ротор, который в четырехкамерной пневмомашине состоит из промежуточного элемента в виде дисковой перегородки 9 и двух лопастей 10 и 11, расположенных по обе стороны дисковой перегородки. Приводная лопасть 10 жестко закреплена на приводном валу 3, а ведомая лопасть 11 закреплена на оси 6 или установлена на подшипниковых опорах 12 на консольной оси 8. По обе стороны дисковой перегородки 9 выполнены четыре проушины в виде расточек по две с каждой стороны с крестообразным расположением их осей, в которые входят серьги приводной 10 и ведомой 11 лопастей, образуя шарнирное соединение дисковой перегородки с лопастями Между поверхностью сферической полости, а также боковыми гранями лопастей и дисковой перегородки образованы рабочие камеры переменного объема. Расположенные по обе стороны ведомой лопасти 11 рабочие камеры на фиг.1, изображены в положении минимального объема камера 13 и максимального объема - камера 14. Две другие рабочие камеры, образованные приводной лопастью 10, на чертеже не видимы, т.к. лопасть изображена в плоскости чертежа. Ротор двухкамерной пневмомашины (фиг.2) состоит из приводной лопасти 15 в виде диска с плоским торцом, установленным на подшипниковой опоре 16 на оси 17 приводного вала 5, которая расположена под углом к оси вала, а также из ведомой лопасти 18, которая может быть установлена аналогично ведомой лопасти 11 четырехкамерной пневмомашины на оси 6 или 8. Промежуточным элементом в роторе двухкамерной пневмомашины является диаметральный палец 19, выполненный заодно с ведомой лопастью 18 и входящий в зацепление с диаметрально расположенным цилиндрическим пазом на плоском торце приводной лопасти 15, образуя шарнирное соединение и две камеры переменного объема, из которых камера 20 изображена в положении максимального объема, а камера 21 - в положении минимального объема. На боковых поверхностях лопастей 10, 11 и 18 выполнены пазы 22, а в корпусных деталях подводные и отводные каналы, образующие на поверхности сферической полости, соответственно, всасывающие 23 и нагнетательные 24 окна (фиг.3). На сферических поверхностях лопастей выполнены пазы (фиг.4, 5, 6), в которых установлены звенья продольных уплотнительных колец- 25 и поперечных уплотнительных колец, которые могут быть выполнены с плоскими параллельными боковыми поверхностями 26 и с цилиндрическими боковыми поверхностями 27, причем пазы под звенья 27 сообщены с камерами переменного объема, например, посредством каналов 28. На дисковой перегородке 9 установлены звенья уплотнительных колец 29, а на приводной лопасти 15 уплотнительное кольцо 30. На наружном торце серьги 31 (фиг.7) выполнен кольцевой паз, в котором установлены два уплотнительных полукольца 32 и 33, расположенные по обе стороны звена продольного уплотнительного кольца 25 или одно полукольцо 34, охватывающее цилиндрическую поверхность серьги 31, установленное в пазу на дисковой перегородке 9 (фиг.9). На боковой поверхности уплотнительного кольца 30, установленном на приводной лопасти 15 в двухкамерной пневмомашине выполнены цилиндрические углубления, сопряженные с цилиндрической поверхностью диаметрального пальца 19 и с торцем уплотнительного звена 25. Пневмомашина в режиме компрессора работает следующим образом. При вращении приводного вала 3 или 5 от внешнего источника энергии вращается приводная лопасть 10 или 15. Это вращение, благодаря шарнирному соединению, через дисковую перегородку 9 или через диаметральный палец 19 передается на ведомую лопасть 11 или 18. При вращении ротора изменяются объемы рабочих камер от, например, минимального 13 и 21 до максимального 14 и 20. Такое изменение сопровождается заполнением рабочих камер газом, поступающим через всасывающие окна 23. При достижении максимального объема рабочая камера разобщается со всасывающим окном 23, и оставаясь разобщенной со всасывающим 23 и нагнетательным 24 окнами, уменьшается в объеме. Происходит сжатие находящегося в рабочей камере газа. После поворота лопасти (ротора) на угол b (фиг.3) от положения максимального объема, в рабочей камере достигается заданное давление, а рабочая камера сообщается с нагнетательным окном 24 через паз 22 на лопасти. Газ под давлением вытесняется из рабочей камеры в систему потребителя. Как только рабочая камера достигнет минимального объема, происходит разобщение паза 22 с нагнетательным окном 24 и сообщение рабочей камеры со всасывающим окном 23. Цикл повторяется. В режиме пневмомотора газ под давлением подводится через нагнетательное окно 24, а вытесняется через окно 23. Направление вращения вала изменяется. Положение лопасти изображенное на фиг.3, соответствует началу сообщения паза 22 с нагнетательным окном 24 и началу поступления газа в рабочую камеру. На угол поворота ротора (180°-b) происходит заполнение увеличивающейся в объеме рабочей камеры. Затем происходит разобщение паза 22 с окном 24, после чего на участке угла поворота b поступивший в рабочую камеру газ расширяется, совершая полезную работу. После достижения максимального объема рабочая камера сообщается с окном 23, через которое отработанный газ вытесняется из рабочей камеры. Герметизация двух смежных рабочих камер, расположенных по обе стороны лопасти, в одной из которых высокое, а в др угой низкое давление газа, осуществляется посредством звеньев продольных уплотнительных колец 25, герметизация между рабочими камерами и полостями цилиндрических расточек - посредством уплотнительных полуколец 26 и 27, герметизация между рабочими камерами, расположенными по обе стороны дисковой перегородки 9 - звеньями уплотнительного кольца 29, а герметизация по наружным поверхностям шарнирных соединений 31 и 19 - посредством уплотнительных полуколец 32, 33, 34 (фиг.7, 8, 9. 10) или посредством уплотнительного кольца 30 (фиг.11,12) сопряженного с поверхностью диаметрального пальца 19 или с поверхностью серьги 31. Прилегание каждого звена уплотнительных элементов к поверхности сферической полости и герметизация по зазорам 35 осуществляется под действием центробежных сил при вращении ротора, а герметизация между зазорами 36 и 37 в каждом стыке сопрягаемых уплотнительных элементов осуществляется путем перекрытия боковой поверхности одного уплотнительного звена высотой h глубины паза h1 другого уплотнительного звена. Предлагаемые пневмомашины обладают обратимостью и могут использоваться в качестве компрессоров или пневмомоторов без каких-либо изменений в конструкции, при этом по весовым показателям они будут, превосходить впускаемые компрессоры шатунно-поршневого типа в 2,5-3 раза - в четырехкамерном исполнении и в 1,5-2 раза - в двухкамерном исполнении с меньшей пульсацией расхода, большей в 1,5 раза долговечностью и большим КПД.