Роторна гідравлічна машина

1. Роторна гідравлічна машина, яка містить корпус з головною циліндричною порожниною, впускними каналами для підведення робочого середовища, випускними каналами для відводу робочого середовища, розділові пристрої і роторпоршень, що встановлений у головній циліндричній порожнині, має радіальні виступи і радіальні западини на периферійній поверхні та утворює із внутрішніми стінками головної циліндричної порожнини замкнуті сегментні порожнини, яка відрізняється тим, що кожен розділовий пристрій виконаний у вигляді трилопатевого розділового ротора, C2 2 (19) 1 3 пуса так, що при його обертанні об'єм кожної робочої порожнини, обмежений ротором, парою суміжних лопаток і внутрішньою поверхнею корпуса, циклічно змінюється від мінімального Vмін до максимального Vмакс значення. При цьому об'єм робочої порожнини збільшується від мінімального значення Vмін до максимального Vмакс (такт впуску), коли ця порожнина сполучається зі впускним каналом, і зменшується від максимального до мінімального, коли вона сполучається з випускним каналом (такт випуску). Внутрішня поверхня корпуса має таку геометрію, щоб такти впуску і випуску були розмежовані з одного боку - принаймні однією зоною переносу, у якій робочий об'єм не сполучається ні з впускним, ні з випускним каналом і має постійне максимальне значення Vмакс, а з іншого боку - принаймні однією зоною повернення, у якій робочий об'єм також не сполучається ні з впускним, ні з випускним каналом, але має постійне мінімальне значення Vмін. Така гідравлічна машина має складну форму внутрішньої поверхні корпуса, яка повинна мати перемінну кривизну і високу чистоту поверхні для забезпечення щільного прилягання лопаток і мінімальних втрат від тертя лопаток. Крім того, у такій гідравлічній машині лопатки зазнають бічний тиск із боку робочого середовища й одночасно виконують зворотно-поступальні рухи в пазах ротора, що обумовлює помітні втрати і підвищений знос елементів конструкції. Найбільш близькою до даного винаходу є роторна гідравлічна машина, яка містить корпус із внутрішньою циліндричною порожниною, у якій концентрично з можливістю обертання встановлений ротор-поршень, що має радіальні виступи і радіальні западини (пат. США № 5579733, 1996). Внутрішня циліндрична порожнина сполучається з зовнішнім джерелом робочого тіла за допомогою вхідного і вихідного каналів, обладнаних керованими золотниками. Машина містить також впускні і випускні канали, розділові пристрої у вигляді лопаток, встановлених у внутрішній циліндричній порожнині корпуса між вхідним і вихідним каналами і між впускним і випускним каналами з можливістю радіального зворотно-поступального переміщення. Розділові пристрої разом з радіальними западинами ротора-поршня і внутрішньою поверхнею циліндричної порожнини корпуса утворюють робочі порожнини. Машина обладнана також механізмом керування розділовими лопатками, що відводить і підводить розділові лопатки синхронно з обертанням ротора так, що забезпечується їх щільний контакт із поверхнею ротора, однак без значного механічного навантаження між контактуючими поверхнями. У цій гідравлічній машині лопатки також зазнають бічний тиск із боку робочого середовища та одночасно виконують зворотно-поступальні рухи в пазах ротора, що обумовлює помітні втрати і підвищений знос елементів конструкції. Задачею даного винаходу є створення гідромашини, у якій елементи розділових пристроїв не будуть виконувати зворотно-поступального руху, що дозволить зменшити їх знос і втрати енергії. 96738 4 Поставлена задача вирішується тим, що роторна гідравлічна машина містить корпус з головною циліндричною порожниною, впускними каналами для підведення робочого середовища, випускними каналами для відводу робочого середовища, розділові пристрої і ротор-поршень, що встановлений у головній циліндричній порожнині, має радіальні виступи і радіальні западини на периферійній поверхні та утворює із внутрішніми стінками головної циліндричної порожнини замкнуті сегментні порожнини, і відрізняється тим, що кожен розділовий пристрій виконаний у вигляді трилопатевого розділового ротора, встановленого в незамкнутій розділовій камері корпуса, яка відкрита в головну циліндричну порожнину корпуса за рахунок перетинання з нею, бічні поверхні лопатей розділових роторів виконані увігнутими з радіусом кривизни, рівним радіусу кривизни головної циліндричної порожнини, кожен розділовий ротор встановлений з можливістю дискретних поворотів на 120° з зупинами, так, що в положенні зупину одна з його бічних поверхонь утворює продовження внутрішньої циліндричної поверхні головної циліндричної порожнини, а протилежна цій поверхні лопать цього ротора поділяє розділову камеру на першу і другу за напрямком обертання розділового ротора частини, впускні канали для підведення робочого середовища проходять у другі частини розділових камер, а випускні канали для відводу робочого середовища проходять у перші частини розділових камер. Переважно, кількість розділових пристроїв перевищує кількість радіальних виступів роторапоршня, найбільш переважно, машина містить 8 розділових пристроїв, а ротор-поршень містить 6 радіальних виступів. Винахід пояснюється за допомогою фіг. 1-4, на яких показані: на фіг. 1 і 2 - схематичне зображення гідравлічної машини на прикладі її реалізації як пневмодвигуна; на фіг. 3 і 4 - схематичне зображення гідравлічної машини на прикладі її реалізації як насосу для перекачування текучого середовища. Роторна гідравлічна машина містить корпус 1 з головною циліндричною порожниною, у якій встановлений ротор-поршень 2 (фіг. 1-4). Роторпоршень 2 має шість радіальних виступів 3-8 і шість радіальних западин 9-14 на периферійній поверхні, що утворюють із внутрішніми стінками головної циліндричної порожнини шість замкнутих сегментних порожнин 15-20. Корпус 1 обладнаний також вісьмома розділовими пристроями 21-28, виконаними у вигляді відкритих у головну циліндричну порожнину корпуса 1 незамкнутих циліндричних камер, у яких встановлені трилопатеві розділові ротори 29-36. Ротори 29-36 встановлені на звичайних опорах обертання і кінематично зв'язані з роторомпоршнем 2 так, що при безупинному обертанні останнього розділові ротори 29-36 провертаються дискретно на кут 120° з зупинами. Бічні поверхні лопатей розділових роторів 29-36 виконані увігнутими з радіусом кривизни, рівним радіусу кривизни головної циліндричної порожнини корпуса 1. У 5 момент зупину розділового ротора одна з його бічних поверхонь завжди утворює продовження внутрішньої циліндричної поверхні головної циліндричної порожнини корпуса 1, а протилежна цій поверхні лопать цього ротора поділяє камеру відповідного розділового пристрою на першу А та другу В за напрямком обертання розділового ротора частини. Розділові камери обладнані впускними каналами 37 для підведення робочого середовища, що проходять у другі частини В розділових камер, і випускними каналами 38 для відводу робочого середовища, що проходять у перші частини А розділових камер. Ротор-поршень 2 встановлений на валу 39, що може служити або валом добору потужності, якщо машина працює як пневмо- або гідродвигун, або приводним валом, якщо машина працює як насос для перекачування текучих середовищ. Коли гідравлічна машина працює як пневмоабо гідродвигун (фіг. 1, 2), впускні канали 37 через регулятор тиску або витрати (на фіг. не показані) підключені до джерела робочого тіла під тиском, а випускні канали 38 відкриті в навколишнє середовище або збірник відпрацьованого робочого тіла. Робочим тілом може служити стиснуте газоподібне середовище (типу водяної пари, повітря та ін.), або придатна рідина під тиском. Коли гідравлічна машина працює як пневмочи гідронасос (фіг. 3, 4), впускні канали 37 відкриті у джерело середовища, що перекачується, наприклад, у навколишнє середовище, а випускні канали 38 відкриті в приймач середовища, що перекачується, наприклад, у ресивер. У процесі роботи ротор-поршень 2 обертається усередині головної циліндричної порожнини корпуса 1. Виступи 3-8 ротора-поршня 2 ковзають по внутрішній циліндричній поверхні головної циліндричної порожнини корпуса 1 і прилягають до неї так, щоб виключити або звести до мінімуму масообмін між сегментними порожнинами 15-20. Кожний з розподільних роторів 29-36 виконує провороти з зупинами, синхронізовані з обертанням ротора 2 так, щоб у будь-який момент часу або одна з вершин розподільного ротора, або одна з його бічних поверхонь прилягала до поверхні ротора 2 без перетікання текучого середовища через зону контакту. Більш детально цей процес можна описати в такий спосіб. У стані зупину кожний з розподільних роторів 29-36 займає таке положення, що одна з його бічних поверхонь утворює плавне продовження внутрішньої поверхні головної циліндричної порожнини корпуса 1 і по ній сковзає один з виступів 3-8 ротора 2. У стані зупину знаходяться розподільні ротори 30, 31, 34 і 35 на фіг. 1, 3 і розподільні ротори 29, 30, 33 і 34 на фіг. 2, 4. Розподільний ротор переходить у статичний стан у той момент, коли передня крайка виступу ротора-поршня 2 досягає вікна між розподільною камерою і головною циліндричною порожниною статора 1. Далі цей виступ ротора-поршня сковзає по бічній поверхні нерухомого розподільного ротора, протилежний виступ якого поділяє розподільну камеру на першу А та другу В за напрямком обер 96738 6 тання розподільного ротора порожнини, ізольовані від сегментних порожнин 15-20. У той момент, коли виступ ротора-поршня 2 цілком виходить за межі бічної поверхні розділового ротора, починається провертання цього розділового ротора. У процесі провертання вершина розділового ротора без зазору сковзає по поверхні западини ротора-поршня 2. Розділовий ротор провертається на кут 120° і зупиняється в той момент, коли початок наступного виступу ротора-поршня 2 досягає вікна в розділову камеру розділовий ротор цієї камери статичне положення і далі цей виступ сковзає по бічній поверхні цього розділового ротора. Під час провертання розподільного ротора він разом зі стінками розподільної камери утворює: зростаючу камеру С, ізольовану камеру Е, спадну камеру К. Одночасно лопать цього розподільного ротора сковзає по поверхні западини ротора-поршня 2 і поділяє відповідну сегментну порожнину на зростаючу камеру Р та спадну камеру Т. Розподільний ротор 35 камери 27 на фіг. 1 знаходиться в статичному стані і по його бічній поверхні сковзає виступ 8 ротора-поршня 2. Камера 27 розділена на дві ізольовані порожнини А та В. Порожнина А через випускний канал 38 сполучається з навколишнім середовищем, у результаті чого робоче середовище, наприклад, повітря, виходить з камери 27 і тиск повітря в ній стає близьким до атмосферного тиску. У цей період часу порожнина В через регулятор тиску підключена до джерела повітря високого тиску, заповнюється цим повітрям і тиск у ній росте. Розподільний ротор 36 камери 28 на фіг. 1 знаходиться в процесі провертання, один з його виступів сковзає по поверхні западини 14 роторапоршня 2. Сегментна порожнина 20 розділена на зростаючу порожнину Р та спадну порожнину Т. Порожнина Е через випускний канал 38 сполучається з навколишнім середовищем, у результаті чого продовжує звільнятися від робочого середовища. У цей період часу порожнина К через регулятор тиску підключена до джерела повітря високого тиску, заповнюється цим повітрям, тиск у ній досягає заданого регулятором максимального значення. Ця порожнина К сполучається зі зростаючою порожниною Р, тиск повітря в якій також дорівнює або близький до максимального. Порожнини Т та С також заповнені повітрям під максимальним тиском, у результаті чого результуюча тиску повітря в порожнинах Т та Р спрямована на вісь обертання ротора-поршня і не створює крутного моменту. Розподільний ротор 29 камери 21 на фіг. 1 знаходиться в стані провертання, один з його виступів сковзає по поверхні западини 9 роторапоршня 2. Сегментна порожнина 15 розділена на зростаючу порожнину Р та спадну порожнину Т. Сполучені порожнини С та Т через випускний канал 38 сполучаються з навколишнім середовищем, у результаті чого звільняються від робочого середовища. У цей період часу сполучені порожнини К та Р через регулятор тиску підключені до джерела повітря високого тиску, заповнюються 7 цим повітрям і тиск в них близько до заданого регулятором максимального значення. Через різницю тисків у порожнинах Р та Т виникає результуюча сила R, спрямована убік від осі обертання ротора-поршня 2, напрямок дії якої зміщено від осі ротора 2, у результаті чого виникає крутний момент, що приводить ротор 2 в обертання. Розподільний ротор 30 камери 22 на фіг. 1 знаходиться в статичному стані, що характеризується процесами, описаними вище для розподільного ротора 35 камери 27. У парах протилежно розташованих розподільних камер відбуваються ідентичні процеси, завдяки чому радіальні навантаження на ротор-поршень виявляються урівноваженими, а тангенціальні навантаження підсумовуються у крутний момент, що передається на вал добору потужності 39. Крім того, тиск робочого тіла на лопаті розділових роторів не створює крутного моменту, у результаті чого керування розділовими роторами не вимагає помітних енерговитрат. На фіг. 2 показане положення елементів машини, коли ротор-поршень провернувся вперед на 22°. Тут крутний момент формується завдяки положенням розподільних роторів 35 і 31, тоді як інші розподільні ротори знаходяться в статичному стані. Коли гідравлічна машина працює як насос (фіг. 3 і 4), впускні канали 37 підключені до джерела середовища, що перекачується, (на фіг. не показаний), а випускні канали 38 до приймача середовища, що перекачується, (на фіг. не показаний). Середовищем, що перекачується, може бути сумісне з матеріалами робочих частин машини текуче середовище, наприклад, газ, рідина, суспензія і т.п. У процесі роботи ротор-поршень 2 за допомогою зовнішнього джерела енергії приводиться в обертання усередині головної циліндричної порожнини корпуса 1. Виступи 3-8 ротора-поршня 2 сковзають по внутрішній циліндричній поверхні 96738 8 головної циліндричної порожнини корпуса 1 і прилягають до неї так, щоб виключити або звести до мінімуму масообмін між сегментними порожнинами 15-20. Кожний з розподільних роторів 27-30 виконує провертання з зупинами, синхронізовані з обертанням ротора 2 так, як це описано вище. При обертанні ротора-поршня 2 у зростаючих порожнинах Р створюється розрідження, за рахунок якого середовище, що перекачується, через впускні канали 37 через порожнини К розподільних камер всмоктуються і заповнює відповідні сегментні порожнини ротора-поршня 2. Середовище, що далі перекачується, переноситься цими сегментними порожнинами до наступного за напрямком обертання розподільним порожнинам і за рахунок скорочення об'єму порожнин Т передавлюється в приймач середовища, що перекачується, через порожнини С розподільних порожнин і випускні канали 38. Тут також у парах протилежно розташованих розподільних камер відбуваються ідентичні процеси, завдяки чому радіальні навантаження на ротор-поршень виявляються скомпенсованими. Таким чином, у даній гідравлічній машині зведені до мінімуму витрати енергії на тертя елементів розділових пристроїв, оскільки розділові ротори вільно обертаються в звичайних опорах обертання, а радіальні навантаження на ці ротори сприймаються цими опорами. Машина не містить ні клапанів для керування потоками робітничих середовищ, ні радіальних лопаток, що рухаються зворотно-поступально, у ній немає, гідродинамічний опір потокам робочих середовищ також може бути зведений до мінімуму за рахунок того, що канали для них можуть бути виконані широкими і короткими. Винахід не обмежений описаними вище прикладами реалізації та охоплює будь-які вдосконалення і модифікації, доступні фахівцю в даній області в межах приведеної формули винаходу. 9 96738 10 11 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 96738 Підписне 12 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601