Лопатева машина із стаціонарними та роторними циліндричними частинами

1. Лопатева машина із стаціонарними та роторними циліндричними частинами, яка належить до групи волюметричних роторних машин, що може використовуватись як привідна або робоча машини й використовує стискувані або нестискувані рідини як робоче середовище, в циліндрі якої встановлений з можливістю обертання ексцентрично розташований ротор з лопатками, яка відрізняється тим, що вона має принаймні одну стаціонарну циліндричну частину (А), циліндрична стаціонарна частина має в центрі внутрішній диск (1) і бічні отвори (4); на диску (1) виконаний радіальний отвір (5), призначений для надходження робочого середовища, та радіальний отвір (6), призначений для виходу робочого середовища з циліндричної робочої камери (16); має принаймні дві циліндричні роторні частини (В); циліндричні роторні частини є підшипниками, стаціонарно встановленими в отвори (4) циліндричної стаціонарної частини; має ротор (С) з бічними пластинами (14), які встановлені з можливістю обертання спільно з ротором; має лопатки з пазами (F); має кришки (D), стаціонарно встановлені в бічні отвори (4) циліндричної стаціонарної частини; кришки (D) мають ексцентрикові отвори (18); бічні пластини (14) обертаються у ексцентрикових отворах (18) кришки (D); кришки (D) мають ексцентрикові отвори (17), в яких стаціонарно встановлені підшипники (15), в яких встановлений з можливістю обер 2 (19) 1 3 Винахід стосується лопатевої машини, де частина циліндра є стаціонарною, а інші циліндричні частини обертаються. Лопатева машина може бути робочою машиною (двигуном) для безперервного перетворення рідкої енергії в механічну енергію або рушієм (насосом) для безперервного підняття, підсилення, стискання або подачі рідини за допомогою механічної енергії або інших засобів, від волюметричної роторної машинної групи, використовуючи стиснені або нестиснені рідини у якості робочого середовища. За Міжнародною Патентною Класифікацією вона класифікована як Розділ F - Машинобудування; Клас F 01 - Машини або двигуни взагалі; Підклас F 01 С - Роторно-поршневі машини або двигуни; Група 13/00 - Машини або двигуни спеціального призначення; комбінації двигунів з пристроями, що приводяться двигунами в дію; Підгрупа 13/02 - для приведення у дію ручних інструментів або подібних пристроїв; і 13/04 - для приведення у дію насосів або компресорів. Найбільшою проблемою, що існує у волюметричних машин, особливо лопатевих волюметричних машин, є об'ємні та механічні втрати. Втрати об'єму виникають через недостатньо великі отвори, що впускають і випускають робочу речовину з робочої камери машини. Втрати об'єму також вірогідно виникають від витоку рідини з робочої камери високого тиску у робочу камеру низького тиску. Механічні втрати виникають через тертя між безпосередньо контактуючими роторними та стаціонарними частинами машини, які є частинами робочої камери. Наслідком високих об'ємних та механічних втрат є низька об'ємна та механічна ефективність машини, тобто, її низька загальна ефективність. Ця технічна проблема вирішується у даному винаході, за рахунок розширеного наповнення і вивільнення робочої камери робочим середовищем, а також зменшення зносу лопатевих поверхонь при контактуванні з циліндричними осьовими і радіальними поверхнями, та збільшеної герметизації лопатей з циліндричними осьовими та радіальними поверхнями. У лопатевих машин лопатки притискаються до циліндричних стінок робочої камери під впливом відцентрової сили, у деяких блоках додатково пружинами або шляхом забезпеченням лопатевої внутрішньої радіальної поверхні тиском робочого середовища. Зношення стаціонарно-циліндричних лопатевих машин пропорційне до загальної сили тиску на лопатку відносно циліндричної поверхні робочої камери і відносно коефіцієнту тертя. Проблема тертя вирішується підбором матеріалів, з яких виготовлені лопатки і циліндр. Лопатки можуть бути осесиметрично переміщені, таким чином вони притискаються до стаціонарної бічної поверхні робочої камери. Через відносно високі швидкості між бічною поверхнею лопатки і бічними поверхнями робочої камери, зношення наявне на обох контактуючих поверхнях, тобто механічна ефективність машини погіршується. У цьому випадку робочу камеру можна завантажувати і розвантажувати радіально, що сприяє об'ємній ефективності. 96939 4 При іншій конструкції лопатевої машини циліндр обертається, таким чином зменшуючи відносну швидкість контакту між циліндричною поверхнею, яка обертається в камері, та лопаткою, призводячи до зменшення зносу і сприяючи механічній ефективності. Негативним моментом цього варіанту конструкції є осьова подача та відтік робочого середовища, що несприятливо впливає на наповнення та відтік з камери, таким чином погіршуються об'ємна ефективність. Подібно до першого варіанту конструкції, лопатки можуть осесиметрично переміщуватися, де вони контактують зі стаціонарними бічними поверхнями камер. Через відносно великі швидкості між лопатевою бічною поверхнею і бічними поверхнями робочої камери, зношення спостерігається в обох контактуючих поверхнях. Суттю винаходу є машина, яка має стаціонарні та роторні циліндричні частини. У стаціонарній циліндричній частині виконані радіальні отвори, що забезпечують проходження робочого середовища до циліндричної робочої камери та з неї. Циліндричні роторні частини - це підшипники кочення та ковзання, стаціонарно вставлені у циліндричну стаціонарну частину. Внутрішні кільця підшипника або додаткові кільця, стаціонарно встановлені у внутрішні кільця підшипника, приводяться в дію лопатками. Бічні секції, що закривають циліндричну робочу камеру, стаціонарно встановлені в ротор і обертаються з ним. Лопатки з осьовими і радіальними пазами встановлюються у ротор, що збільшує ущільнення робочого середовища між лопатками та іншими контактуючими частинами. Ущільнення має лабіринтний тип. Фігура 1 представляє закриту лопатеву машину - вигляд спереду. Фігура 2 представляє закриту лопатеву машину - вигляд збоку. Фігура 3 представляє закриту лопатеву машину - вигляд ззаду. Фігура 4 представляє лопатеву машину - переріз Х-Х на Фігурі 1. Фігура 5 представляє лопатеву машину без додаткового кільця - переріз Y-Y на Фігурі 2. Фігура 6 представляє лопатеву машину без додаткового кільця - переріз Z-Z на Фігурі 1. Фігура 7 представляє роторні частини циліндра В без додаткових кілець -поздовжній переріз. Фігура 8 представляє лопатеву машину з додатковим кільцем - поздовжній переріз. Фігура 9 представляє лопатеву машину з додатковим кільцем - поперечний переріз. Фігура 10 представляє роторну частину циліндра В з додатковим кільцем -поздовжній переріз. Фігура 11 представляє стаціонарну частину циліндра А - вигляд спереду. Фігура 12 представляє стаціонарну частину циліндра А - вигляд збоку. Фігура 13 представляє стаціонарну частину циліндра А - вигляд ззаду. Фігура 14 представляє стаціонарну частину циліндра А - поздовжній переріз R-R на Фігурі 12. 5 Фігура 15 представляє кришку циліндра D - вигляд спереду. Фігура 16 представляє кришку циліндра D - вигляд збоку зліва. Фігура 17 представляє кришку циліндра D - вигляд збоку справа. Фігура 18 представляє кришку циліндра D переріз N-N на Фігурі 17. Фігура 19 представляє ротор С - вигляд спереду. Фігура 20 представляє ротор С - вигляд збоку. Фігура 21 представляє ротор С - переріз Р-Р на Фігурі 19. Фігура 22 представляє корпус ротора з пазами - поперечний переріз. Фігура 23 представляє лопатку з пазами Е вид у перспективі (збільшений). Фігура 24 представляє схему p-v робочого циклу привідної лопатевої машини за допомогою стиснутого робочого середовища. Опис винаходу стосується основного варіанту втілення лопатевої машини, циліндр якої складається з одної стаціонарної та двох роторних частин. Більш комплексні варіанти лопатевої машини можуть складатися з декількох стаціонарних циліндричних роторних частин, де всі комбінації розташувань і розмірів залежать від заданих технічних характеристик. Тут описаний варіант конструкції лопатевої машини, як показано на Фігурах 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9, який містить: циліндричну стаціонарну частину А, циліндричні роторні частини В, ротор С, кришки D і лопатки F. Циліндрична стаціонарна частина А Циліндрична стаціонарна частина А показана на Фігурах 11, 12, 13 і 14, у виглядах спереду, збоку, ззаду і у перерізі R-R. Циліндрична стаціонарна частина А має форму порожнистого валу, в центрі порожнистої частини знаходиться внутрішній диск 1 з робочою поверхнею 2 та бічні поверхні 3. В межах диску обертається ротор С. На впусканні та випусканні циліндрична стаціонарна частина має отвір 4 для кришок D. На диску 1 є отвір 5, що дозволяє проходити робочому середовищу в, а отвір 6 дозволяє робочому середовищу проходити з циліндричної робочої камери. Отвори 5 і 6 є прямокутними і радіально пов'язані з циліндром. Отвори 5 і 6 також можуть мати інші форми. Циліндричні роторні частини В Циліндричні роторні частини В можуть бути виконані в одному з наступних двох варіантів: варіант 1 - без додаткових кілець; варіант 2 - з додатковими кільцями. На Фігурі 7 показано варіант 1 циліндричних роторних частин без додаткових кілець, роторні частини яких фактично є підшипниками, що мають зовнішнє кільце 7 і внутрішнє кільце 8 з робочою поверхнею 9. Як показано на Фігурах 5 і 6, підшипники стаціонарно встановлені в отвори 4 циліндричної стаціонарної частини А, спираючись на бічну поверхню 3 диску 1. Внутрішні кільця 8 обертаються під дією лопаток F. 96939 6 На Фігурі 10 показаний варіант 2 циліндричних роторних частин з додатковим кільцем, роторні частини яких фактично є підшипниками з зовнішнім кільцем 7 і внутрішнім кільцем 8, в якому стаціонарно встановлено додаткове кільце 10 з робочою поверхнею 9. Як показано на Фігурах 8 і 9, підшипники стаціонарно встановлюються в отворах 4 циліндричної стаціонарної частини А, спираючись на бічну поверхню 3 диску 1. Внутрішні кільця 10 обертаються під дією лопаток F. Циліндричні роторні частини В у варіантах 1 і 2, можуть бути підшипниками кочення або ковзання. Ротор С Як показано на Фігурах 19, 20 і 21, ротор С має вал 11, корпус 12 з поздовжніми пазами 13 і бічні пластини 14. Пластини 14 надійно закріплені на валу та опираються на корпус ротора, щоб закрити циліндричну робочу камеру 16 з її бокових сторін. У корпусі ротора, під кутом 90°, є чотири поздовжні пази 13 для встановлення лопаток F, таким чином кут між поверхнею лопатки і радіальним напрямом ротора дорівнює нулю. Ротор обертається в циліндричній робочій камері 16, спільно з пластинами і лопатками. Ротор обертається на підшипниках 15, які можуть бути підшипниками кочення або ковзання. Підшипники стаціонарно встановлюються в отвори 17 кришки D. Ротор може мати одну або декілька лопаток. Пази в корпусі ротора можуть також бути виконані так, щоб дозволити лопаткам рухатися під кутом, сформованим лопатевою поверхнею і радіальним напрямом ротора. Як показано на Фігурі 22, на зовнішній поверхні корпусу ротора можуть бути поздовжні пази 15, які утворюють лабіринтне ущільнення. Кришки D Як показано на Фігурах 15, 16, 17 і 18, кришки D мають отвори 17 для встановлення підшипників 15, в яких обертається ротор. Кришки стаціонарно встановлені в отворах 4 циліндричної стаціонарної частини, Фігура 14, так, що вони спираються на зовнішнє кільце 7 циліндричної роторної частини В, Фігури 5 і 8. Отвори 17 виконані ексцентрично пов'язаними з аксиальною віссю 19 кришки. Лопатки F Лопатки можуть бути з пазами чи без пазів. Цей опис винаходу відноситься до лопатевої машини, що має лопатки з пазами на її роторі (лабіринтне ущільнення). Лопатки F, Фігура 23, мають корпус 22, в центральній частині верхньої поверхні якого, та між двома плоскими частинами 23, виконані осьові пази 24, тоді як по всій відстані обох бічних вужчих поверхонь виконані радіальні пази 25. Лопатки встановлені в пази 13 в корпусі ротора. Довжина лопатевих плоских частин 23 відповідає ширині внутрішнього кільця 8 або додаткового кільця 10 відповідно циліндричної роторної частини. Довжина осьових пазів 24 відповідає ширині диску 1 циліндричної стаціонарної частини. При обертанні ротора, лопатеві плоскі частини 23 приводять в дію внутрішні кільця 8 або внутрішні кільця 10 відповідно циліндричної роторної частини. 7 Здійснення винаходу Зображення закритої та зібраної лопатевої машини представлено на Фігурі 1 - спереду, 2 збоку, 3 - ззаду і 4 - у перерізі Х-Х. Робоча камера лопатевої машини 16, Фігури 5, 6, 8 і 9, обмежується диском 1 з циліндричної стаціонарної частини А, внутрішніми кільцями 8 або додатковими кільцями 10 циліндричних роторних частин В, пластинами 14 і корпусом 12 ротора С, і лопатевою плоскою частиною 23 і осьовими пазами 24 лопаток F. В залежності від кількості лопаток, робоча камера може бути розділена на дві або більше частин. Лопатева, машина працює за принципом створення тангенціальної сили, що виникає через різниці тиску лопаток ротора. Тангенціальна сила валу ротора утворює момент кручення, який, крім робочої кількості обертів машини, генерує потужність двигуна. Як і у приводів (двигунів), потужність машини перетворюється в механічну корисну силу, тоді як робочі машини (насоси), використовують корисну силу для зміни робочого тиску рідини при даному потоці. Лопатева машина з циліндричними стаціонарними роторними частинами приводиться в дію шляхом подачі середовища через отвори 5 до циліндричної робочої камери 16. При цьому процесі робоче середовище, через різницю тиску, змушує ротор обертатися. Робоче середовище у проміжку між двома лопатками залишає циліндричну робочу камеру 16 через вивідний отвір 6 з протилежної сторони циліндра, а потім цикл повторюється. Обертання ротора створює відцентрову силу F, яка тисне на лопатки із пазів 13, що створює тертя між лопатевими плоскими частинами 23 і робочою поверхнею 9 внутрішніх кілець підшипника 8 або додатковим кільцем 10, та ними (натискаючи на внутрішні кільця 8 або додаткові кільця 10) в русі. Швидкість ковзання контактних поверхонь лопаток та внутрішніх кілець підшипника або додаткових кілець, встановлених в них стаціонарно, мають значення між миттєвою окружною швидкістю зовнішнього краю лопатки і миттєвою окружною швидкістю через внутрішнє кільцеве обертання. У цій машині вищезгадані швидкості залежать від кількості лопаток. Лише для одної лопатки ротора відносна швидкість дорівнює нулю, тоді як для декількох лопаток максимальна швидкість ковзання дорівнює. середній швидкості, значення якої виникає із різниці максимальних та мінімальних окружних швидкостей лопатки відносно потоку, що має внутрішні кільцеві швидкості обертання. Роль циліндричної роторної частини з кільцями підшипника полягає в зменшенні швидкості ковзання, і як наслідок - в зменшенні тертя, шуму та коефіцієнту зношення, що збільшує механічну ефективність лопатевої машини. Лопатки осесиметрично рухаються, притискаючись до пластин 14 ротора С. Пластини стаціонарно з'єднанні з ротором і таким чином обертаються з ним. Цим досягнуто мінімальної відносної швидкості ковзання між лопатевими бічними краями і пластинами, що знову ж таки призводить до зменшення коефіцієнту зношення при терті та збі 96939 8 льшення механічної ефективності. Відносна швидкість між лопатевими бічними краями і пластинами робочої камери є результатом лопатевого радіального руху. Між лопатками і циліндричною стаціонарною частиною, або робочою поверхнею 2 диску 1, є зазор, тому не виникає контактування, що запобігає зносу через тертя у цій області. Такий варіант конструкції лопатевої машини дозволяє робочому забірному отвору середовища 5 і вивідному отвору 6 розміститися радіально, за допомогою чого та завдяки їх розмірам, формі та положенню, досягається краще наповнення та звільнення робочої камери (коефіцієнт наповнення), що є проблемним серед відомих у даний час варіантів конструкції лопатевої машини. Відносна швидкість між внутрішніми роторними кільцями або додатковими кільцями підшипника і лопатками значно зменшена, завдяки чому зменшено знос тертя лопаток. Тиск лопаток на внутрішні роторні кільця або додаткові кільця підшипника створює ущільнення в цій області. Тиск, у разі потреби, може бути додатково збільшений пружиною, розміщеною в пазу лопатки або шляхом забезпечення внутрішньої радіальної поверхні лопатки робочим середовищем високого тиску, що виникає через додаткову радіальну силу. Обертання ротора створює умови для періодичного наповнення і звільнення робочої камери, таким чином, залежно від призначення лопатевої машини, тиск робочої камери від наповнення до звільнення збільшується або зменшується. Лопатева машина з циліндричними стаціонарними та роторними частинами зменшує зношення лопатевих контактних поверхонь з циліндричними осьовими і радіальними стінками в робочій камері лопатевої машини, збільшує наповнення і звільнення робочої камери робочим середовищем, та вирішує проблему ущільнення між лопатками і циліндричною внутрішньою стаціонарною частиною і роторними бічними пластинами. Це збільшує коефіцієнт наповнення машини і зменшує втрати, що виникають через тертя між контактними поверхнями, таким чином механічна ефективність машини збільшується. На Фігурі 24 показано схему p-v робочих циклів привідної лопатевої машини з циліндром, що має стаціонарні та роторні частини, у випадку стискуваних робочих середовищ. Робота лопатевої машини з циліндричними стаціонарними і роторними частинами, для одного оберту ротора, є алгебраїчною сумою робіт наповнення, розширення і випуску. Процес можна описати просто в закритому робочому циклі зі стискуваними робочими середовищами. Наповнення робочої камери є ізобарним, зміна стану від а до Ь. Процес розширення являє собою зміну об'єму робочої камери від b до с. Вивільнення робочого середовища складається з трьох стадій. Перша стадія - миттєве розширення від с до с', коли випускні канали починають відкриватися. Друга стадія вивільнення - від с' до d -випуск, викликаний зменшенням робочого простору. Третя стадія, від d до а, - стиснення залишкового робочого середовища в робочій камері після закриття випускних каналів. 9 Остання стадія циклів - наповнення робочої камери новим робочим середовищем, таким чином ізохорний тиск миттєво підвищується від а' до а. Наступне рівняння показує такий процес та виходить з енергетичної рівноваги: EdQ+dZM=dU+dL+dZV де: EdQ - енергія, введена з робочими середовищем маси G dU - внутрішня зміна енергії dL - робота, змінена довколишнім середовищем dZM - кількість енергії, що поступила в робочу камеру в результаті втрат dZV - кількість енергії, що не була використана в робочій камері, але поступила в навколишнє середовище з робочим середовищем. Останні дві кількісні енергії можуть бути визначені наступними рівняннями: dZM = PMdGM і dZV = PVdGV, де: PM - питома енергія робочого середовища, що входить до циклів PV - питома енергія робочого середовища, що залишає цикли dGM - маса нового робочого середовища, що входить в робочу камеру за один цикл з навколишнього середовища dGV - маса нового робочого середовища, що залишають робочу камеру за один цикл в навколишнє середовище. Головною проблемою загальної ефективності лопатевої машини є волюметрична ефективність, що є результатом наповнення та звільнення робочого середовища в і з робочої камери (процес а' а і с - с' - d - а' за схемою p-v). Проблема волюметричної ефективності вирішена в цьому винаході за рахунок створення можливості максимального використання циліндричною стінкою стаціонарної частини робочої камери для радіальних ввідних та вивідних каналів робочого середовища. Структурне проектування дозволяє досягти додаткового збільшення перерізів ввідних та вивідних каналів робочого середовища, оскільки лопатка не контактує з каналами, внаслідок чого канали можна спроектувати у вигляді прямокутних отворів оптимальних розмірів, що покращує умови вводу та виводу з робочої камери лопатевої машини. Іншою важливою проблемою, яку вирішено винаходом, є зменшення зносу лопаток, роторних підшипникових внутрішніх або додаткових кілець, і роторних пластин, що обертаються. Введення підшипників кочення або ковзання, внутрішніх кілець, до яких можна стаціонарно встановлювати додаткові кільця відповідних властивостей ковзання, на які спираються лопатки, зменшує відносну швидкість ковзання в контактних точках ковзання, таким чином зменшуючи також їх зношення. Лопатки можуть осесиметрично переміщуватися, оскільки вони опираються на роторні бічні пластини. В існуючих варіантах конструкції лопатевої машини, бічні пластини циліндричної робочої камери є стаціонарними, тому результуючі високі швидкості між лопатевим бічним краєм і бічними 96939 10 пластинами викликають зношення обох контактуючих поверхонь. Введення у ротор бічних пластин обертання, які закривають робочу камеру, зменшує відносні швидкості, пов'язані з лопатками, тому бічний знос, викликаний тертям лопаток і пластин, зменшується. Відносні швидкості між лопатевими бічними краями і пластинами робочої камери виникають тільки через радіальний рух лопатки. Зменшення втрат тертя покращує механічну ефективність машини. Лопатеву машину з циліндричними стаціонарними та роторними частинами можна застосовувати у промисловості, в якості приводу або робочої машини. При використанні в якості робочої машини, введена механічна робота певного потоку йде на стискування робочої рідини, а при використанні в якості приводу вона перетворює головний можливий тиск стискуваної або нестискуваної робочої рідини в механічну роботу. У якості робочої або привідної машини із стискуваною рідиною вона використовується в якості: рушія пневматичного інструменту, при механізації різних технологічних процесів, у якості великого стартера дизельного двигуна, компресора, вакуумного насосу, двигуна внутрішнього згорання. В якості робочої або привідної машини з нестискуваною рідиною, вона використовується з: силовими, переміщуваними та імпульсними системами транспортування в будівельних машинах, гідравлічних кранах, гідравлічних системах транспортування, гідроприводами машини, та в контрольних, стабілізаційних або запобіжних гідравлічних системах, призначених для автоматизації робочих процесів. В якості насоса або гідроприводу, вона має дві сфери застосування відповідної робочої рідини. Якщо в якості робочої рідини використовується мінеральне мастило, самозмащення зменшує тертя, а тому зношення лопаток і кожуха лопатевої машини є найбільш повільним. Це застосовується у силових, переміщуваних та імпульсних системах транспортування в будівельних машинах, гідравлічних кранах, транспортних гідравлічних системах, гідроприводах машин, та контрольних, стабілізаційних або запобіжних гідравлічних системах, призначених для автоматизації робочих процесів. Гідравлічні лопатеві машини мають широкий діапазон швидкостей обертання. Невеликі інерційні сили її частин обертання часто роблять запуск і зупинку машини більш легкими. При застосуванні з робочим середовищем, що не є мастильним середовищем, проблема лопатки і корпусу залишається головною перешкодою в лопатевих машинах або насосах. Літери та цифри, використовувані в описі винаходу, мають наступне значення: А - стаціонарна частина циліндра 1 - диск 2 - робоча поверхня диску 3 - бічні поверхні диску 4 - горизонтальні отвори в стаціонарній частині циліндра 5 - подання робочої рідини 6 - виведення робочої рідини В - роторні частини циліндра 11 7 - зовнішнє кільце циліндричної роторної частини 8 - внутрішнє кільце циліндричної роторної частини 9 - внутрішня робоча поверхня кільця 10 - додаткове кільце С- ротор 11 - вал ротора 12 - корпус ротора 13 - лопатеві пази 14 - роторна бічна пластина 15 - підшипники ротора 16 - циліндрична робоча камера 96939 12 D - кришка 17 - ексцентрикові отвори кришки для підшипників ротора 18 - отвори кришки для бічної пластини ротора 19 - аксіальна вісь кришки 20 - ексцентриковий отвір аксіальної вісі 21 - радіальна вісь отвору F - лопатки з пазами 22 - лопатевий корпус 23 - лопатеві плоскі частини без пазів 24 - осьові пази 25 - радіальні пази 13 96939 14 15 96939 16 17 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 96939 Підписне 18 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